Mit einer Breite von 155 cm und einer Höhe von 33 cm ist der verstellbare GTC-300 Spoiler eine sehr gute Figur in Form und Funktion. Der GTC-300 3D-Spoiler sorgt für optimale Luftzirkulation, die den Luftwiderstand reduziert und zusätzlich eine wirksame Menge an Abtrieb erzeugt. Die "Computational Fluid Dynamics Analyse" (CFD) wurde an diesem Flügel durchgeführt, um die Wirksamkeit dieses aerodynamischen Designs zu unterstützen.
Jeder Spoiler der GTC-Serie ist aus leichtem und haltbarem kohlefaserverstärkten Verbundwerkstoffen (CFRP) zusammengesetzt. Diese Spoiler enthalten vorimprägniert Kohlefaserblätter für überlegene Stärke, bei geringem Gewicht.
Alle CFRP-Flächen werden mit vorimprägnierten Verbundfertigungsprozessen (d.h. Hochtemperatur-Autoklaven und Vakuumaufbauschung) in hochwertigem Aluminiumformen hergestellt. Zur Unterstützung des Spoilers sind 10 mm stärke Füße aus 6061 Aluminium montiert, die eine schwarze Pulverbeschichtung bekommen.
Computational Fluid Dynamics (CFD)
Der verstellbare APR Performance GTC-300 Spoiler wurde in 3D modelliert und mithilfe von Computational Fluid Dynamics (CFD) validiert. Dieser Spoiler wurde entwickelt, um sich einer Vielzahl von Breitbau- und Tourenwagenanwendungen anzupassen.
CFD Daten & Analyse für den verstellbaren GTC-300 Spoiler
Übersicht
Hierin enthalten sind die Daten und Ergebnisse der Computational Fluid Dynamics (CFD) - Analyse, die an einem 3D-Modell des GTC-300-Profils durchgeführt wurde. Diese Daten zeigen, wie sich der Flügel im Freistrahl-Luftstrom verhält, indem es den Anpressdruck vs. Anstellwinkel (Angle-of-Attack - AOA) vs. Geschwindigkeit und den Widerstand vs. Anstellwinkel vs. Geschwindigkeit vergleicht. Diese Daten geben Aufschluss darüber, wie sich das Profil in Bezug auf diese Bedingungen verhält. Darüber hinaus bietet die hier enthaltene Analyse einen Einblick in die Anwendung dieser Daten auf reale Anwendungen.
Definitionen
Typischerweise ist der AOA definiert als der Unterschied in dem Winkel zwischen der Sehnenlinie und dem Vektor, der den ungestörten Freistrahl-Luftstrom darstellt, wobei die Sehnenlinie die Linie ist, die von der Vorderkante zu der Hinterkante über den Mittelabschnitt des Flügels verläuft. Für die CFD-Simulationen, die an den Strömungsprofilen der GTC-Serie durchgeführt werden, wird der mittlere Querschnitt der Bezugsebene (oder "zentrale Bezugslinie") anstelle der "Sehnenlinie" verwendet. Daher ist der AOA hier definiert als der Unterschied im Winkel zwischen dem mittleren Querschnitt der Referenzebene ("Reference Plane") und dem Vektor, der die relative Bewegung des ungestörten Luftstroms in freier Strömung darstellt. Ein Lineal, das über dem mittleren Abschnitt des Profils der GTC-Serie platziert wird, wäre das tatsächliche Äquivalent dieser Referenzlinie.
Methodik Datensammlung
CFD-Simulationen wurden mit einer Reihe von AOA-Werten von 0 bis 15 Grad und Geschwindigkeiten von 80 bis 165 MPH (ca. 128 bis 266 km/h) durchgeführt. Datenwerte aus 18 verschiedenen Konfigurationen wurden mit einer Kombination von 6 AOA-Werten (0, 5, 10, 12, 13 und 15 Grad) und 3 Freistrahlgeschwindigkeiten (80, 100 und 120 MPH (ca. 128, 161 und 193 km/h)) aufgezeichnet. Werte für Abtrieb (oder "negativer Auftrieb") und Luftwiderstand werden für jede Konfiguration aufgezeichnet. Die AOA-Werte wurden in Stufen von 5 Grad erhöht, wobei zusätzliche Daten bei AOA-Werten von 12 und 13 Grad genommen wurden (der Grund dafür folgt). Geschwindigkeiten von 80 bis 120 MPH (ca. 128 bis 193 km/h) wurden verwendet, um mittelhohe Fahrzeuggeschwindigkeiten darzustellen. Zusätzlich wurde eine Geschwindigkeit von ungefähr 165 MPH (ca. 266 km/h) verwendet, um Daten für Druckverteilungen, Vektorfelder und Stromlinien bereitzustellen.
Interpretation der Daten
Vorbehalt: Das erste, was wir als Vorbehalt berücksichtigen müssen, bevor wir versuchen, diese Daten zu verstehen, besteht darin, zu erkennen, dass all diese Daten einem 3D-Profil entsprechen, das in einer Umgebung mit freier Luftströmung platziert ist. Also, was ist die Bedeutung? Die Bedeutung liegt in der Konstruktion und beabsichtigten Anwendung dieses speziellen Flügels. Die Sehnenlänge und der Sehnenlinienwinkel variieren entlang seiner Länge derart, dass sie für die Verwendung an der Rückseite eines typischen Fahrzeugs mit Limousinenform optimiert sind, bei dem die Dachoberkante höher ist als der hintere Kofferraumbereich. Grundsätzlich sollte dieses Profil niemals in der CFD-Simulationsumgebung mit frei strömender Luft verwendet werden. Dies bedeutet nicht, dass diese Daten nutzlos sind. Das bedeutet nur, dass wir verstehen müssen, dass wir bestimmte Einschränkungen haben und das die Anwendung dieser Daten sorgfältig auf die reale Welt angewendet werden muss.
AOA & Geschwindigkeit vs. Abtrieb & Luftwiderstand: Ein schneller Blick auf die Datenwerte zeigt, dass eine Erhöhung der Geschwindigkeit zu einer Erhöhung von Abtrieb und Luftwiderstand führt und eine Erhöhung des AOA (bis zu einem bestimmten Punkt) erhöht sowohl den Abtrieb als auch den Luftwiderstand.
Variabler Sehnenlinienwinkel: Ab AOA = 0 Grad erzeugt das Profil bereits bei 80 MPH (ca. 128 km/h) 672 N (oder 151 lbf) Abtrieb, mit einem Verhältnis von Auftrieb zu Widerstand (L / D) von ungefähr 8,8. Wenn wir uns die Druckverteilung ansehen, die unten dargestellt ist, können wir sehen, dass die äußeren Abschnitte des Strömungsprofils in der Freistrahl-Luftströmung mehr zum Netto-Abtrieb beitragen als der mittlere Abschnitt. Als Referenz können die äußeren Abschnitte des Strömungsprofils des GTC-300 einen positiven Sehnenlinienwinkel von bis zu 15 Grad in Bezug auf die Mittellängslinie aufweisen. So kommt der größte Teil dieses Abtriebs aus den äußeren Abschnitten. Natürlich ändert sich diese Druckverteilung, wenn das stromlinienförmige Profil auf ein realistisches Szenario (an einem Fahrzeug installiert) angewendet wird, bei dem der mittlere Abschnitt einen ganz anderen Luftstrom sehen würde als der hier gezeigte.
Strömungsabriss: Bei AOA = 10 Grad können wir in den Grafiken sehen, dass der Abtrieb anfängt konstant zu werden. Zwischen AOA = 10 und 12 Grad ist der Abtrieb sehr gering, während der Widerstand weiter ansteigt. Das L / D-Verhältnis variiert von ungefähr 7,1 bis 8,1. Was hier passiert, ist, dass die äußeren Abschnitte des Strömungsprofils, die nun in einem Winkel von 25 bis 27 Grad (durch Hinzufügen von 15 Grad aufgrund des variablen Sehnenlinienwinkels) in Bezug auf die Freistrahl-Luftströmung stehen, beginnen eine Luftströmungstrennung zu erfahren, sodass der Abtrieb an den äußeren Abschnitten nun mit zunehmendem Winkel abnimmt. Der Mittelabschnitt, der in einem Winkel von 10 bis 12 Grad relativ zu der Freiströmungsluftströmung ist, liefert weiterhin mehr Abtrieb mit zunehmendem Winkel. Das Plateau des Abtriebs in diesem Bereich zeigt an, dass der zunehmende Abtrieb des mittleren Abschnitts den abnehmenden Abtrieb in den äußeren Abschnitten kompensiert, sodass der Netto-Abtrieb mit zunehmendem Anstellwinkel zunimmt. Was wir hier sehen, ist der Bereich der abnehmenden Gewinne in Bezug auf die Erhöhung der AOA.
Mehr Ströhmungsabriss: Zwischen AOA = 12 und 13 Grad, können wir sehen, dass der Netto-Abtrieb jetzt mit steigendem AOA abnimmt, und dass das L / D-Verhältnis in einigen Fällen unter 6,4 gefallen ist. Dies deutet darauf hin, dass der allmählich ansteigende Abtrieb im mittleren Bereich den nicht so allmählich abnehmenden Abtrieb in den äußeren Abschnitten nicht mehr kompensieren kann. Aufgrund der weiteren Luftströmungstrennung, die von den äußeren Abschnitten erfahren wird, beginnt die Größe des Luftwiderstandes mit einer höheren Rate zuzunehmen. Das Szenario ist jetzt jenseits dessen, was wir abnehmende Gewinne nennen würden. Wir sehen erhebliche Verluste. Abgesehen davon, dass es keine gute Idee ist, den Flügel über diesen Winkelbereich hinaus zu betreiben, können wir diese wichtigen Punkte notieren:
1) Der mittlere Abschnitt bei AOA = 12 bis 13 Grad ist nicht in der Nähe seines Abrissbereichs.
2) Die äußeren Abschnitte, die jetzt bei 27 bis 28 Grad liegen, sind die Abschnitte, die in ihrem Abrissbereich arbeiten.
3) Erinnern Sie sich noch einmal an den zuvor erwähnten Vorbehalt -> dass diese Daten aus einer Freistrahl-Umgebung stammen, dass dieses Strömungsprofil nicht dafür ausgelegt wurde, in einer Freistrahl-Luftströmungsumgebung optimal zu funktionieren und das Vorsicht geboten ist bei der Anwendung dieser Ergebnisse in der realen Anwendung.
Was in den Tabellen oder Grafiken nicht gezeigt wird: Inzwischen haben wir bereits herausgefunden, dass es wirklich keinen Sinn macht, CFD-Simulationen bei AOA-Werten über 15 Grad durchzuführen. Ohne wertvolle CFD-Zeit zu verbrauchen und zu wissen, dass der mittlere Abschnitt eine ähnliche Krümmung wie die äußeren Abschnitte hat (die um +15 Grad größer sind als der mittlere Abschnitt), können wir daraus schließen, dass der abnehmende Abtrieb oder die zunehmenden Luftwiderstandskurven ab dem AOA-Bereich von 25 bis 27 Grad höchstwahrscheinlich steil in den Graphen ansteigen würden.
CFD-Daten (Tabellen)
Die folgenden Tabellen zeigen die tatsächlichen Daten, die von der CFD-Analyse gesammelt wurden. Die Zahlen in der Tabelle werden in Newton (eine Einheit der Kraft) dargestellt. Um in "Pfund" zu konvertieren, dividiere die Zahlen durch 4,44822 (wobei 1 Newton (N) = 4,44822 Pfund-Kraft (lbf)). Zum Beispiel würde eine Abtriebskraft von 1286,89 N 289,3 lbf entsprechen.
CFD-Daten (gerenderte Bilder)
Das folgende Bild zeigt die Druckverteilungen über die Oberflächen des Flügels. Die Einheiten sind in Pascal (Pa), wobei 1 Pa = 1,45 × 10 ^ -4 Pfund pro Quadratzoll (lb / in ^ 2) ist.
Das folgende Bild zeigt sowohl die Druckverteilung als auch die Stromlinien, die mit dem Flügel verbunden sind. Freistrahl-Luft wird bei 73,85 Meter / Sekunde (m / s) gezeigt, was ungefähr 165 MPH (ca. 266 km/h) ist, wenn 1 m / s = 2,237 MPH ist.
Das folgende Bild zeigt sowohl die Druckverteilungen als auch die Vektorfelder um den Flügel herum.
Das folgende Bild zeigt sowohl die Druckverteilungen als auch die Vektorfelder um den Flügel (anderer Blickwinkel).
Verbindung der Daten zur Anwendung in der realen Umgebung
Wir wollen nun versuchen, ein wenig CFD-Daten und -Analysen auf die reale Anwendung dieses Profils in einem Fahrzeug anzuwenden. Zuerst müssen wir ein paar Dinge ändern. Die erste Sache, die geändert werden muss, ist die Umwelt, weil das montierte Tragflächenprofil (sowohl der mittlere als auch der äußere Abschnitt) niemals wirklich eine frei strömende Luftströmung sehen wird. Obwohl die äußeren Abschnitte des Strömungsprofils über dem Dach und dem Körper des Fahrzeugs positioniert sein können und obwohl der Luftstrom "sauberer" oder paralleler zur Bodenebene sein kann, wird die Luft um die Seiten des Fahrzeugs herum immer noch beeinflusst sodass es nicht mehr als Freistrahlluft angesehen werden kann. Zweitens ist es hilfreich, einen zusätzlichen Begriff namens "Neigung" einzuführen und zu verwenden, da wir keinen Winkel mehr in Bezug auf die relative Bewegung des Luftstroms in freier Strömung definieren können. Zuvor hatten wir den AOA als den Winkelunterschied zwischen dem mittleren Querschnitt der Referenzebene (a.k.a. "mittlere Bezugslinie") und dem Vektor definiert, der die relative Bewegung des ungestörten freien Luftstroms darstellt. Wir definieren die Neigung als den Unterschied in dem Winkel zwischen dem mittleren Querschnitt der Bezugsebene (a.k.a. "Bezugslinie") und einer nicht geneigten Grundebene, die parallel zu der Fahrtrichtung des Fahrzeugs ist. Ein Lineal, das über dem mittleren Abschnitt des Profils der GTC-Serie platziert wird, wäre das tatsächliche Äquivalent der Referenzlinie. Um die Winkelreferenzen zu vereinfachen und eine Verwechslung mit AOA-Nummern zu vermeiden, werden zusätzlich nur absolute Werte (d.h. positive Zahlen) in Verbindung mit entweder einer Aufwärtsneigung (vorne höher als hinten) oder einer Abwärtsneigung (vorne niedriger als hinten) verwendet.
Wenn das stromlinienförmige Profil an dem Fahrzeug mit Limousinenform montiert ist, ist der mittlere Abschnitt tatsächlich bei einer AOA, die größer als 0 Grad ist. Dies liegt daran, dass die Luftströmung zum mittleren Abschnitt dazu neigt, der hinteren Neigung des Dach- / Glas- / Rumpfbereichs nach unten zu folgen (siehe Bild unten). Diese nach unten gerichtete Luftströmung variiert je nach Form des Fahrzeugs (ob es laminarer oder turbulenter, angehängter oder abgelöster ist) (beachten Sie die Luftströmungsunterschiede in den beiden unten gezeigten Fahrzeugen).
(Bild von Drittanbieter-Quelle)
Genau zu wissen, in welchen Winkeln die Luft hinter dem Dach und um die Fahrzeugkarosserie herum fließt, ist eine Information, die "Gut-zu-wissen" wäre, aber in der Praxis brauchen wir nicht wirklich alle Details zu kennen. Was wir wissen müssen, ist, dass die Fahrzeugkarosserie einen enormen Einfluss auf die Luftströmung hat, die den Flügel erreicht. Wir sollten auch wissen, dass der mittlere Abschnitt des Flügels einen effektiven AOA-Wert von mehr als 0 Grad aufweist, wenn die Flügelsteigung auf 0 Grad eingestellt ist und dass die äußeren Abschnitte des Flügels nur äußere AOA-Werte um 15 +/- - ein Wert, der darauf basiert, wie der Körper den Luftstrom beeinflusst. Aus den CFD-Daten wissen wir bereits, dass die äußeren Abschnitte des Strömungsprofils zu stagnieren beginnen, wenn der mittlere AOA-Wert zwischen 10 und 12 Grad liegt, mit einem noch stärkeren Strömungsabriss bei 12 bis 13 Grad. Daher können wir bestimmen, dass die Abwärtsneigung des Strömungsprofils niemals über 12 bis 13 Grad hinaus eingestellt werden muss. Bei Fahrzeugen mit steileren Dach- / Glas- / Kofferraumneigungen muss die Höhe des Flügelprofils niemals über 10-12 Grad hinaus eingestellt werden. Denken Sie daran, dass die inneren oder äußeren Abschnitte des Flügels bei effektiven AOA-Werten von 25 bis 27 Grad zum Stillstand kommen, mit einem noch stärkeren Strömungsabriss bei 27 bis 28 Grad.
Um zu wiederholen, was oben erwähnt wurde und um ein paar Punkte hervorzuheben:
1. Bei einem Mittenabschnittsabstand von 0 Grad sind die effektiven AOA sowohl des mittleren als auch des äußeren Abschnitts größer als 0 Grad. -> Das Profil erzeugt bereits Abtrieb bei 0 Grad.
2. Bei einem Mittenabschnitts-Aufwärtsabstand von mehr als 0 Grad sind die effektiven AOA sowohl des mittleren als auch des äußeren Abschnitts immer noch größer als 0 Grad bis zu einem bestimmten Punkt. -> Das Profil erzeugt immer noch Abtrieb bei "positiven" Neigungswerten.
3. Ein Dach, das allmählich zum Kofferraum hin abfällt, lässt die Luft ruhiger fließen (d.h. länger angebracht, laminarer, weniger turbulent usw.) als ein Dach, das abrupt zum Kofferraum hin abfällt. -> Seien Sie sich darüber bewusst, wie signifikant der Einfluss der Form des Fahrzeugkörpers auf die Luftströmung zum Flügel ist, wenn Sie versuchen, die Flügelposition und die Flügelsteigung zu bestimmen.
Spoiler Konfiguration
Einstellen der Flügelhöhe: Generell sind Fahrzeuge mit steil geneigten Dach- / Glas- / Kofferraumbereichen besser geeignet, höhere Flügelhöhen (knapp unter der Dachlinie) zu nutzen. Fahrzeuge mit allmählich geneigten hinteren Abschnitten (d.h. Fließheck) können gut mit niedrigeren Flügel-Montagehöhen arbeiten. Dafür gibt es keine strenge Regel, da jede Fahrzeuganwendung anders ist. Das GTC-300 Spoilerprofil wird mit Sockeln in einer empfohlenen Höhe, für jede vorgesehene Fahrzeuganwendung, geliefert. Zusätzliche Höhe kann mit optionalen Spoilerfüßen erreicht werden.
Einstellen des Winkels: Es ist hilfreich zu wissen, wie sich das Fahrzeug vor der Installation des Spoilers handhabt. Für die ersten Tests mit dem installierten Spoiler wird empfohlen, die Neigung des Flügelprofils mithilfe eines Winkelanzeigeinstruments auf 0 Grad einzustellen. Testen Sie die Kurvenbalance zwischen Vorder- und Hinterrad bei Geschwindigkeiten über 45-55 MPH (ca. 72-89 km/h) (auf einer vertraute Oberfläche). Wenn das Fahrzeug dazu neigt, bei mittleren bis hohen Geschwindigkeiten zu stark zu untersteuern (fühlt sich "fest" an), dann setzen Sie die Neigung etwas nach oben. Wenn das Fahrzeug bei mittleren bis hohen Geschwindigkeiten dazu neigt, zu übersteuern (fühlt sich "locker" an), dann setzen Sie die Neigung etwas nach unten. Versuchen Sie, nach Bedarf zwischen den einzelnen Fahrversuchen sehr kleine Anpassungen vorzunehmen und versuchen Sie, sich auf die einzelnen Dinge zu konzentrieren (d.h. ändern Sie nicht gleichzeitig die Neigung, den Reifendruck und die Dämpfereinstellungen).
Anfangswinkeleinstellung mit der Neigung von 0 Grad, wie auf der digitalen Winkelanzeige gezeigt:
Wie oben, aber mit der Winkelanzeige oben auf dem äußeren Abschnitt:
Maximaler Winkel: Es wird nicht empfohlen, die Neigung nach unten auf mehr als 12 bis 13 Grad einzustellen, auch bei Fahrzeugen mit den am langsamsten geneigten hinteren Dach- / Glas- / Kofferraumbereichen. Bei Fahrzeugen mit steileren Neigungswinkeln sollte die Abwärtsneigung nicht höher als 10-12 Grad eingestellt werden.
Empfohlener maximaler Winkel, wie auf dem digitalen Winkelindikator angezeigt:
Wie oben, aber mit der Winkelanzeige oben auf dem äußeren Abschnitt:
Fazit
Bei so vielen Fahrzeugkonfigurationen, Strecken- und Straßenbedingungen sowie Wetter- und Umgebungsbedingungen ist es nahezu unmöglich, exakt vorherzusagen, wie eine aerodynamische Komponente die Leistung und die Fahreigenschaften eines Fahrzeugs verändern wird. Gut finanzierte Rennteams verbringen ständig viel Zeit und Geld, um Computersimulationen, Windkanaltests, Streckentests und andere Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten durchzuführen. Für die meisten Leute sind all diese Aktivitäten möglicherweise nicht bequem erreichbar. Dennoch können wir die CFD-Daten und -Analysen, die hier enthalten sind, zumindest als Startrichtlinien bei den Bemühung verwenden, die aerodynamische Leistung des Fahrzeugs zu verbessern.
Die hierin enthaltenen Informationen sind Eigentum von APR Performance und dürfen ohne vorherige schriftliche Zustimmung von APR Performance weder ganz noch teilweise reproduziert werden.
