Gewässerdurchquerung (Waten) mit shonDy

Im Kontext der Automobilindustrie bezieht sich das Waten auf ein Auto, das sich mit geringer Geschwindigkeit durch relativ tiefes Wasser bewegt, wie beim Durchqueren von Flüssen oder überschwemmten Straßen. Die Tiefe, die ein Auto sicher durchwaten kann, ist entscheidend und wird als Abstand zwischen dem Reifenkontaktpunkt und dem Lufteinlasssystem des Motors gemessen. Diese Messung ist entscheidend, um Wassereintritt zu verhindern und den Motor bei solchen Manövern vor Problemen zu schützen.

Fallbeschreibung

In diesem Fall wird das oben beschriebene Wat-Szenario simuliert. Während der Simulation wird das Auto einen Kanal mit einer Tiefe von 30 cm durchfahren. Die Abmessungen des Kanals werden in der unteren Abbildung dargestellt. Für die Simulation wurden zwei verschiedene Geschwindigkeiten gewählt: 2 m/s, was etwa 7 km/h entspricht, und 3,33 m/s, was 12 km/h entspricht.

Geometrie

Die Geometrie des Kanals wurde auf Basis der obigen Skizze mit shonMesh erstellt, während die Geometrie des Autos das sogenannte DrivAer Modell ist, das am [Institut für Aerodynamik und Strömungsmechanik der Technischen Universität München](https://www.epc.ed.tum.de/aer/forschungsgruppen/automobilaerodynamik/driva onAer/) entwickelt wurde. Dieses Modell dient als generischen Ansatz, der dazu entwickelt wurde, die Lücke zwischen stark vereinfachten Modellen wie dem Ahmed-Körper und komplexen Serienfahrzeugen zu schließen. Für diese Simulation wurde das DrivAer-Modell mit den folgenden Spezifikationen konfiguriert:

Stufenheck
Detaillierter Unterboden
Mit Seitenspiegel
Mit Rädern

Die STL-Datei kann in der folgenden Abbildung zusammen mit dem Netz des Kanals betrachtet werden.

Surface Mesh of the channel, generated with shonMesh

Simulations Setup

In der ersten Simulation startet das Auto nach einer Sekunde, beschleunigt von 0 auf 2 m/s in 2,5 Sekunden, hält diese Geschwindigkeit für die nächsten 15 Sekunden und kommt zu einem Halt nach 18 Sekunden. Die gesamte Berechnungszeit beträgt somit 18 Sekunden, was der benötigten Dauer entspricht, um den gesamten Kanal zu durchqueren. In der zweiten Simulation mit einer höheren Fahrzeuggeschwindigkeit von 3,33 m/s benötigt das Auto nur 12,5 Sekunden, um den Kanal zu durchqueren, was zu einer kürzeren Gesamtsimulationszeit führt. Die genauen Geschwindigkeitsprofile können in den unten stehenden Diagrammen betrachtet werden.

Die Definition der Flüssigkeitsregion war für beide Simulationen gleich: insgesamt 15,943 m³ Flüssigkeit, was einer Höhe von 30 cm entspricht, ist im Kanal vorhanden. Für diese Simulation wurde ein Fluidpartikelradius von 1,26 cm verwendet, was zu einer Gesamtzahl von insgesamt 1 Million Partikeln führte.

Es wurden verschiedene Sampling-Methoden verwendet, einschließlich:

Sampling-Punkte in der Fahrzeugmitte
Sampling-Fenster um die Räder herum
Sampling-Linien innerhalb des Kanals

Diese Samples sind in den untenstehenden Abbildungen dargestellt.

Ergebnisse

Allgemeine Übersicht über die Simulationen werden in den unten zu findenden Videos präsentiert. Die obere Reihe zeigt das langsamere Auto, während die untere Reihe das schnellere Auto zeigt. Die zwei Videos aus der Vogelperspektive (Videos rechts) veranschaulichen die Unterschiede in der Ausbreitung der Frontwelle: Die Geschwindigkeit einer Oberflächenwelle in flachem Wasser kann mit folgender Formel angenähert werden

$$v_{wave} =\sqrt{g h}$$

wobei g die Beschleunigung durch die Schwerkraft ist, und h ist die Tiefe des Wassers.

Im Video des langsameren Autos, ist es offensichtlich, dass auf der Rampe, wo das Wasser weniger tief ist, die Wellenausbreitung kleiner als die Geschwindigkeit des Autos ist; die Wellenfront bleibt beständig an der Vorderseite des Autos. Am Boden des Kanals ist die Welle etwas schneller als das Auto, daher überholt sie das Auto. In der zweiten Simulation ist das Auto immer schneller als die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle, dadurch befindet sich die Wellenfront konsequent an der Vorderseite des Autos.

Die Bilder unten zeigen das Benetzungsverhältnis am Auto. Hier wird shonDys eingebauter Filter für zeitlich gemittelte Werte verwendet, der es Benutzern ermöglicht, nicht nur den aktuellen Wert zu visualisieren. In diesem Fall das Benetzungsverhähltnis, sowie ein durchschnittlicher Wert über einen bestimmten Zeitraum. In den hier dargestellten Abbildungen wurde das Benetzungsverhältnis über 0,25 Sekunden gemittelt, um besser zu verstehen, wo das Wasser das Fahrzeug benetzt.

Auch hier gehört die obere Reihe zum langsameren Auto, wohingegen die untere Reihe zum schnelleren Auto gehört. Beim Vergleich der beiden Geschwindigkeiten wird deutlich, dass es einen Unterschied im Verteilungsmuster der Benetzungsverhältnisse gibt. Bei einer höheren Geschwindigkeit muss das Auto mit einer viel höheren Wellen fertig werden, was zu einer Benetzung über fast die komplette Vorderseite des Autos führt. Dies würde wahrscheinlich zu Wasser im Motorraum führen, was die Luftaufnahme blockieren und eine Fehlfunktion des Motors verursachen könnte. Im Falle des langsameren Autos hingegen bedeckt das Wasser nur die untere Hälfte der Front, dies bedeutet ein deutlich geringeres Risiko für das Absterben des Motors. Die Seitenansicht zeigt auch einen Unterschied: Im Falle des schnelleren Autos ist der Wasserpegel auch höher in der Nähe der Vordertür des Autos.

Front view of the coverage ratio at 15m and 2 m/s

Side view of the coverage ratio at 15m and 2 m/s

Front view of the coverage ratio at 15m and 3.33 m/s

Side view of the coverage ratioat 15m and 3.33 m/s

Wie in der Detailansicht unten zu sehen ist, befinden sich die Probenpunkte auf der Mittellinie des Autos, wobei der Druck über die Zeit aufgezeichnet wird. Um die Vergleichbarkeit zu verbessern, zeigen die Diagramme nicht den Druck über die Zeit, sondern über die Position des Auto-Schwerpunkts (in x-Richtung). Zur Orientierung wird die Umrisslinie des Kanals entlang der x-Achse dargestellt.

Im Allgemeinen kann man beobachten, dass der niedrigste Punkt den höchsten Druck erfährt, und der Druck für höhere Punkte abfällt. Bei höheren Geschwindigkeiten erfährt das Auto einen höheren Druck. Der Druckgraf für das langsamere Auto zeigt, dass Punkt 7 meistens nicht mit dem Wasser in Berührung kommt, nachdem das Auto vollständig im Kanal ist.

Auf der anderen Seite legt das Diagramm für die höhere Geschwindigkeit nahe, dass der erste Aufprall den höchsten Druck verursacht, und von da an sinkt der Druck fast stetig. Im Gegensatz dazu ist die Druckspitze bei niedrigerer Geschwindigkeit deutlich geringer. Aufgrund der Geschwindigkeit des Autos wird das Wasser jedoch nicht hinter das Auto geleitet; stattdessen bleibt das Wasser vor dem Auto, was zu einem relativ stabilen Druckplateau entlang des Kanals führt.

Close up of the sample points and positions of the points 1,4, and 7

The pressure variations as a function of the car’s center of mass (2 m/s)

The pressure variations as a function of the car’s center of mass (3.33 m/s)

Die nachfolgenden Abbildungen veranschaulichen, wie die Volumenproben genutzt werden könnten. Auf dem rechten Bild sehen wir die Positionen der Volumenproben für die linken Reifen. Im Diagramm ist das Flüssigkeitsvolumen im Probenvolumen über der Position des Autos dargestellt. In der Regel haben die Frontreifen eine wesentlich größere Wassermenge im Vergleich zu den Hinterreifen zu bewältigen. Dies passt zu den obigen Abbildungen, wo wir das Benetzungsverhältnis sehen können. Auf dem Bild ist deutlich zu erkennen, dass sich Wasser an der Vorderseite des Autos ansammelt, während im Nachlauf des Wellenberges der Rest des Autos einen vergleichbar niedrigen Wasserstand erfährt.

Beim Vergleich der verschiedenen Geschwindigkeiten beobachten wir eine ähnliche Situation wie oben: Bei höheren Geschwindigkeiten, müssen sowohl die vorderen als auch die hinteren Reifen mit einer höheren Wassermenge umgehen.