Detectivewerk in de windtunnel
In de aero-akoestische windtunnel van Audi optimaliseren aerodynamicaspecialisten tot in de perfectie de vorm van de Audi RS e-tron GT.
In de aero-akoestische windtunnel van Audi zijn windsnelheden tot 300 km/h mogelijk. Exacte metingen zijn alleen uit te voeren als de luchtstroom vlak langs de auto gaat.
In de aero-akoestische windtunnel van Audi zijn windsnelheden tot 300 km/h mogelijk. Exacte metingen zijn alleen uit te voeren als de luchtstroom vlak langs de auto gaat.
Kijkend naar het ventilatorhuis van de Audi aero-akoestische windtunnel valt een spleet op, tussen de bladpunten van de twintig schoepen van de windtunnelrotor en de betonnen rand. Een paar verbluffende centimeters. Een gebrek aan precisie, die energie verspilt? Moni Islam, hoofd Ontwikkeling aerodynamica & aero-akoestiek bij Audi, legt uit: "Als de turbine met het maximale vermogen van 2.720 kW draait, worden de schoepen van gecoat aluminium vanwege de centrifugaalkracht langer, waardoor deze spleet nagenoeg sluit. Uiteindelijk wekken we hier de kracht op om windsnelheden tot 300 km/h te behalen."
Vervolgens moet iedereen de windtunnel verlaten. De twintig rotorbladen van de vijf meter grote ventilator komen langzaam draaiend in beweging. Eerst blaast de rondwervelende lucht langs 27 stabilisatiepanelen. Daarna gaat de lucht twee hoeken om, waarna de stroming via gebogen geleidingspanelen evenwichtiger verdeeld wordt. Vervolgens moeten roosters de ergste turbulentie eruit halen. Turbulentie is onvermijdelijk door het ronddraaien van de ventilator en ontstaat ook tijdens het passeren van de twee bochten. Na het passeren van een honingraat laag wordt de luchtstroming gelijkmatiger. Tot slot komt er nog een ruimte waar de lucht als het ware tot rust komt, om vervolgens in de hoofdkamer door de straalpijp met een contractieverhouding van 5,5 over de Audi RS e-tron GT te vliegen.
Speciaal geconstrueerde afbuigpanelen verdelen de lucht gelijkmatig bij richtingveranderingen in de windtunnel.
Thomas Redenbach is hoofd Ontwikkeling aerodynamica & aero-akoestiek - voertuigprojecten bij Audi.
Speciaal geconstrueerde afbuigpanelen verdelen de lucht gelijkmatig bij richtingveranderingen in de windtunnel.
Thomas Redenbach is hoofd Ontwikkeling aerodynamica & aero-akoestiek - voertuigprojecten bij Audi.
De Audi RS e-tron GT in de windtunnel. Elke maatregel die de luchtweerstandscoëfficiënt verlaagt, vergroot de actieradius.
De Audi RS e-tron GT in de windtunnel. Elke maatregel die de luchtweerstandscoëfficiënt verlaagt, vergroot de actieradius.
De Audi RS e-tron GT staat op een zeer nauwkeurige weeginstallatie, die de aerodynamische krachten meet die op de auto inwerken. De wielen draaien op vier rollen om ervoor te zorgen dat ook dit aspect van een bewegende auto in de metingen wordt meegenomen. Sterker nog, een brede, bewegende band onder de auto simuleert de rijbeweging ten opzichte van de weg. Verder zijn er nog nauwkeurig afstelbare geperforeerde platen in de bodem vóór de auto. Deze leiden een deel van de luchtstroom, de grenslaag, weg voordat die de auto kan bereiken. Aerodynamici noemen dit een 'volledige bodemsimulatie', waarmee ze bedoelen dat dit een realistische luchtstroming rondom de auto het beste benadert.
Als de lucht de Audi RS e-tron GT is gepasseerd, wordt deze opgevangen en binnen het gebouw teruggeleid naar de ventilator. De volledige cyclus in de Audi aero-akoestische windtunnel is dan afgelegd. Klinkt ingewikkeld? Dat is het ook.
Kentaro Zens is de verantwoordelijk aerodynamicus voor de Audi RS e-tron GT. Hij belicht hier de gestroomlijnde onderkant van deze sportieve bolide.
Kentaro Zens en Thomas Redenbach bespreken de meetwaarden. Achter het glas staat de Audi RS e-tron GT in het plenum van de windtunnel.
Kentaro Zens is de verantwoordelijk aerodynamicus voor de Audi RS e-tron GT. Hij belicht hier de gestroomlijnde onderkant van deze sportieve bolide.
Kentaro Zens en Thomas Redenbach bespreken de meetwaarden. Achter het glas staat de Audi RS e-tron GT in het plenum van de windtunnel.
Veel moeite voor een perfecte stroomlijn
Kentaro Zens is de engineer die verantwoordelijk is voor de aerodynamica en aero-akoestiek van de Audi RS e-tron GT. "Op de weg doorklieft de auto de lucht. Hier in de windtunnel is het precies andersom: de auto staat stil en wij geleiden de lucht er zo gelijkmatig mogelijk omheen. Wij doen veel moeite voor een perfecte stroomlijn. Alleen als de luchtstroom zich accuraat rond de auto gedraagt, verkrijgen wij betrouwbare meetresultaten waar we verder mee kunnen werken."
Zens zit op zijn werkplek bij het controlepaneel waarmee de operators de windtunnel bedienen. Hij kan alle relevante data op de beeldschermen zien: wat is de cW-waarde, hoe groot zijn de opwaartse krachten aan de voor- en achterkant en bij welke wind- en bandsnelheid?
Naast hem staat Thomas Redenbach, hoofd Ontwikkeling aerodynamica & aero-akoestiek - voertuigprojecten: "Toen dit aerodynamicacentrum werd geopend was dit de eerste automotive windtunnel ter wereld waar een realistische bodemsimulatie samenvalt met een extreem stille aero-akoestische functionaliteit."
Tegenwoordig is de windtunnel zes dagen per week in tweeploegendienst van 07.00 tot 22.30 uur in gebruik. Ten tijde van de vrij recente introductie van de WLTP-meetmethode voor verbruik en emissies werd de capaciteit volledig benut. Moni Islam: "Dit is een complexe windtunnel om te bedienen en om te gebruiken. De medewerkers die daar sinds jaar en dag verantwoordelijk voor zijn zorgden ervoor dat wij engineers 23 uur per dag hier terecht konden. Dat was belangrijk, want deel van de WLTP-certificering omhelst het aanleveren van windtunneldata bij de wetgever."
“Elke maatregel die de luchtweerstandscoëfficiënt verlaagt, vergroot de actieradius”
Moni Islam
Moni Islam is hoofd Ontwikkeling aerodynamica & aero-akoestiek bij Audi. Hij staat hier bij de installatie voor actieve geluidsonderdrukking.
Moni Islam is hoofd Ontwikkeling aerodynamica & aero-akoestiek bij Audi. Hij staat hier bij de installatie voor actieve geluidsonderdrukking.
De rook laat zien hoe de luchtstroom zich gedraagt na het passeren van de buitenspiegel van de Audi RS e-tron GT.
Op hun werkplek hebben de aerodynamici altijd toegang tot de belangrijkste auto- en windtunnelgegevens.
De rook laat zien hoe de luchtstroom zich gedraagt na het passeren van de buitenspiegel van de Audi RS e-tron GT.
Op hun werkplek hebben de aerodynamici altijd toegang tot de belangrijkste auto- en windtunnelgegevens.
Simulatie is geen vervanging voor de windtunnel
Toch spelen computersimulaties ook in de wereld van de aerodynamica een steeds grotere rol. CFD-simulatie (Computational Fluid Dynamics, numerieke stromingsmechanica) genereert een rekenkundig model en maakt analyse en visualisatie van de stroming mogelijk. Waarom dan nog het complexe en dure werk in de windtunnel? Thomas Redenbach: "De windtunnel is ons dagelijks gereedschap, ook om de resultaten uit de simulatie van een grondslag te voorzien. Wij willen de simulaties steeds verder ontwikkelen. Om ze geldig en representatief te maken, moeten we de berekeningen controleren."
Maar de simulaties via de computer worden steeds beter en belangrijker. Kentaro Zens: "Bij de Audi RS e-tron GT hebben wij buitengewoon veel gesimuleerd, meer dan negen miljoen CPU-uur. En ik had de auto 150 uur in de windtunnel. Dat is zeer weinig. Ter vergelijking: bij de Audi R8 was het 600 uur." Dit wijst niet alleen op de kwaliteit van het Audi RS e-tron GT-design, maar betekent ook dat het ontwikkelingsproces aanzienlijk korter was. Daarom wil Audi deze methode ook bij toekomstige modellen volgen.
Moni Islam voegt toe: "De windtunnel en CFD zijn voor ons twee aanvullende gereedschappen. De windtunnel zorgt snel voor uiterst nauwkeurige resultaten, waardoor we binnen het dynamische ontwikkelingsproces zeer efficiënt kunnen werken. De simulatie levert een ongelooflijke hoeveelheid gegevens op, maar vereist veel voorbereiding en een grondige analyse van de uitkomsten. Met slechts één van deze twee gereedschappen was de moderne aerodynamica-ontwikkeling niet mogelijk."
“We besteden enorm veel tijd aan de laatste twintig procent van de aerodynamica”
Thomas Redenbach
Alles voor een grotere actieradius
Veel elektrische auto's zijn van begin af aan afgestemd op een gunstige stroomlijn. Daarom heeft de Audi RS e-tron GT bijvoorbeeld een dichte bodem. Op de schouders van de 31 medewerkers van de aerodynamica-afdeling van Moni Islam rust een grote verantwoordelijkheid, beseft de manager. "Elke maatregel die de luchtweerstandscoëfficiënt verlaagt, vergroot de actieradius van de auto", aldus Islam.
De stroomlijndeskundigen spotten de mogelijkheden tot verfijning in de resultaten van de simulatietests. Dan gaan ze op de vierkante millimeter aan de slag: als we hier de geometrie nou eens een heel klein beetje veranderen, hoe vloeit dan de lucht erlangs? Islam verwoordt het zo: "Aerodynamica is ook uiterst nauwkeurig detectivewerk. Lucht is nou eenmaal onzichtbaar. Met logisch beredeneren moet je tot de kern van het probleem doordringen. Daarvoor analyseren we de datasets uit de weeginstallatie in de windtunnel."
De engineers gebruiken ook diverse aanbouwdelen die volgens de rapid-prototyping-methode worden gefabriceerd. Eerst worden CAD-ontwerpen gemaakt om de vorm van de onderdelen te bepalen, bijvoorbeeld van een luchtinlaat in de voorbumper. De afdeling Modelmanagement maakt dan alle gewenste varianten, die vervolgens op de auto worden getest. De metingen leveren gegevens op over de downforce (neerwaartse druk) en lift (opwaartse druk). Deze data worden vergeleken met de overeenkomende CFD-simulaties.
Voor analyses en aanpassingen tijdens de windtunneltests zijn de weegpunten ook hefkolommen.
Schijnbaar onbeduidend, maar effectief: deze kunststof rand onder de auto geleidt de luchtstroom zeer efficiënt.
Voor analyses en aanpassingen tijdens de windtunneltests zijn de weegpunten ook hefkolommen.
Schijnbaar onbeduidend, maar effectief: deze kunststof rand onder de auto geleidt de luchtstroom zeer efficiënt.
Detectivewerk voor het beste resultaat
"Tachtig procent van de aerodynamica is in twintig procent van de tijd voor elkaar te krijgen. Maar voor die laatste twintig procent hebben we enorm veel tijd nodig. Dan verfijnen we de stroomlijn in ontelbare kleine stappen", licht Thomas Redenbach het detectivewerk in de windtunnel toe. "Alleen met deze toewijding en oog voor detail komen we tot de allerbeste resultaten."
Wat vonden de aerodynamicaspecialisten het moeilijkste detail van de Audi RS e-tron GT? Kentaro Zens denkt even na. "De voorspoiler met vier met elkaar verbonden openingen. De lucht stroomt naar binnen, de lamellen sluiten en dan beginnen de problemen. De lucht kan overal heen en dat wil je niet. Op die plekken de luchtstroming beheersen en finetunen was belangrijk. Dat was teamwork in optima forma, want de collega's van veiligheid, constructie, productie en montage moesten allemaal met mij op één lijn zitten."
Zens wijst ook op het ontwerp van de air curtains in samenhang met de wielkasten: "Hierover overlegden we wekelijks met de Audi-ontwerpers. Het resultaat is een optimale aerodynamische overgang van de voorkant naar de flanken met de air curtains. En het mooie is: dit resultaat past ook heel goed in het totaalplaatje. Alles oogt coherent. Alles aan de Audi RS e-tron GT heeft een functie en een doel. Dat noem ik authentieke functionaliteit en daarin vind ik deze auto zeer geslaagd."
Met behulp van rook wordt de luchtstroming zichtbaar. Hier is in de wielkast het effect te zien van de air curtains.
Met behulp van rook wordt de luchtstroming zichtbaar. Hier is in de wielkast het effect te zien van de air curtains.
“De aerodynamica staat ten dienst van het ontwerp”
Kentaro Zens
Ook de hoek van de achterspoiler werd door Zens millimeter voor millimeter in de windtunnel getest. Een ander voorbeeld vervult hem eveneens met trots: de scherpe rand in het achterlicht. "Door de uitgesproken driedimensionale vorm van de Audi RS e-tron GT ontstonden aan de achterkant complexe wervelingen. Een goed verloop van de luchtstroom is daar een uitdaging. In de simulatie zagen we dat er bij het achterlicht nog ruimte voor verbetering was."
Bij deze windtunnelmeting was gelukkig ook César Muntada, hoofd Lichtdesign bij Audi, aanwezig. Op het kleimodel vormde hij resoluut een lichte ronding in een inkeping van het achterlicht. Die aanpassing siert nu elke productieversie. Dankzij deze modificatie zorgden de ontwerpers en aerodynamici ervoor dat de luchtstroom op gecontroleerde wijze de achterkant verlaat. Zonder de aanpassingen zou de stroming zijn teruggeslagen, met nieuwe wervelingen tot gevolg en veel meer opwaartse druk. "De aerodynamica staat ten dienst van het ontwerp," aldus Kentaro Zens over de samenwerking. Het resultaat is indrukwekkend.
De achterspoiler van de Audi RS e-tron GT kent drie standen, voor een goede luchtgeleiding onder alle rijomstandigheden.
De ventilator van de windtunnel heeft een maximaal vermogen van 2.720 kW.
De achterspoiler van de Audi RS e-tron GT kent drie standen, voor een goede luchtgeleiding onder alle rijomstandigheden.
De ventilator van de windtunnel heeft een maximaal vermogen van 2.720 kW.
