Im Kontext der Automobilindustrie bezeichnet Waten die Bewegung eines Fahrzeugs durch relativ tiefes Wasser mit niedriger Geschwindigkeit, beispielsweise beim Überqueren von Flüssen oder überschwemmten Straßen. Die Tiefe, bis zu der ein Fahrzeug sicher waten kann, ist entscheidend und wird als Abstand zwischen dem Reifenaufstandspunkt und dem Lufteinlasssystem des Motors gemessen. Diese Messgröße ist unerlässlich, um Wassereinzug in den Motor zu verhindern und Motorschäden bei solchen Manövern zu vermeiden.
Fallbeschreibung
In diesem Fall wird das oben beschriebene Waten-Szenario simuliert. Während der Simulation durchfährt das Fahrzeug einen Kanal mit einer Wassertiefe von 30 cm. Die Abmessungen des Kanals sind in der folgenden Abbildung dargestellt. Für die Simulation wurden zwei unterschiedliche 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 Fahrzeuggeometrie das sogenannte DrivAer-Modell ist, das am Lehrstuhl für Aerodynamik und Strömungsmechanik der Technischen Universität München entwickelt wurde. Dieses Modell dient als generische Darstellung, die die Lücke zwischen stark vereinfachten Modellen wie dem Ahmed-Körper und komplexen Serienfahrzeugen schließt. Für diese Simulation wurde das DrivAer-Modell mit folgenden Spezifikationen konfiguriert:
- Stufenheck als Dachvariante
- Detaillierter Unterboden
- Mit Außenspiegeln
- Mit Rädern
Die STL-Datei sowie das Mesh des Kanals sind in den folgenden Abbildungen dargestellt.
Simulationsaufbau
In der ersten Simulation setzt sich das Fahrzeug nach 1 Sekunde in Bewegung, beschleunigt in 2,5 Sekunden von 0 auf 2 m/s, hält diese Geschwindigkeit für die nächsten 15 Sekunden aufrecht und kommt nach 18 Sekunden zum Stillstand. Die gesamte Berechnungszeit beträgt damit 18 Sekunden und entspricht der Dauer, die benötigt wird, um den gesamten Kanal zu durchqueren. In der zweiten Simulation mit einer höheren Fahrzeuggeschwindigkeit von 3,33 m/s benötigt das Fahrzeug nur 12,5 Sekunden, um den Kanal zu durchfahren, was zu einer kürzeren Gesamtsimulationszeit führt. Die genauen Geschwindigkeitsprofile sind in den folgenden Diagrammen dargestellt.
Der Aufbau des Flüssigkeitsbereichs war für beide Simulationen identisch: Insgesamt 15,943 m3 Flüssigkeit, entsprechend einer Höhe von 30 cm, befinden sich im Kanal. Für diese Simulation wurde ein Fluidpartikelradius von 1,26 cm verwendet, was zu insgesamt 1 Million Partikeln führt.
Es wurden verschiedene Sampling-Methoden verwendet, darunter:
- Sampling-Punkte entlang der Mittellinie des Fahrzeugs
- Sampling-Fenster um die Räder
- Sampling-Linien innerhalb des Kanals
Diese Samplings sind in den folgenden Abbildungen dargestellt.
Ergebnisse
Allgemeine Übersichten der Simulationen sind in den folgenden Videos dargestellt. Die obere Reihe zeigt das langsamere Fahrzeug, während die untere Reihe das schnellere Fahrzeug präsentiert. Die beiden Draufsichten (Videos auf der rechten Seite) veranschaulichen gut die Unterschiede in der Ausbreitung der Bugwelle: Die Geschwindigkeit einer Oberflächenwelle in flachem Wasser kann mit der folgenden Formel angenähert werden
wobei g die Erdbeschleunigung und h die Wassertiefe ist.
Im Video des langsameren Fahrzeugs ist ersichtlich, dass auf der Rampe, wo das Wasser weniger tief ist, die Wellenausbreitung kleiner als die Fahrzeuggeschwindigkeit ist; die Wellenfront bleibt durchgehend vor dem Fahrzeug. Am Boden des Kanals ist die Welle etwas schneller als das Fahrzeug und überholt es daher. In der zweiten Simulation ist das Fahrzeug stets schneller als die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle, sodass die Wellenfront durchgehend vor dem Fahrzeug bleibt.
Die folgenden Abbildungen zeigen das Bedeckungsverhältnis am Fahrzeug. Dabei wird shonDys integrierter Zeitmittelungsfilter verwendet, der es ermöglicht, nicht nur den aktuellen Wert, in diesem Fall das Bedeckungsverhältnis, sondern auch einen über einen bestimmten Zeitraum gemittelten Wert darzustellen. In den dargestellten Abbildungen wurde das Bedeckungsverhältnis über 0,25 Sekunden gemittelt, um ein klareres Bild davon zu erhalten, wo das Wasser das Fahrzeug benetzt.
Auch hier gehört die obere Reihe zum langsameren Fahrzeug, während die untere Reihe zum schnelleren Fahrzeug gehört. Der Vergleich der beiden Geschwindigkeiten zeigt deutlich, dass es einen Unterschied im Verteilungsmuster des Bedeckungsverhältnisses gibt. Bei höherer Geschwindigkeit ist das Fahrzeug einer deutlich höheren Welle ausgesetzt, was zu einem Bedeckungsverhältnis über nahezu die gesamte Fahrzeugfront führt. Dies würde wahrscheinlich zu Wasser im Motorraum führen, das den Lufteinlass blockieren und einen Motorausfall verursachen könnte. Beim langsameren Fahrzeug hingegen bedeckt das Wasser nur die untere Hälfte der Front, was ein deutlich geringeres Risiko eines Motorausfalls bedeutet. Die Seitenansicht zeigt ebenfalls einen Unterschied: Beim schnelleren Fahrzeug ist der Wasserstand auch im Bereich der vorderen Türen höher.
Wie in der detaillierten Abbildung unten zu sehen ist, befinden sich die Sampling-Punkte an der Mittellinie an der Fahrzeugfront und zeichnen den Druck über die Zeit auf. Zur besseren Vergleichbarkeit zeigen die Diagramme den Druck nicht über die Zeit, sondern über die Position des Fahrzeugschwerpunkts (in x-Richtung). Zur Orientierung ist der Umriss des Kanals entlang der x-Achse eingezeichnet.
Im Allgemeinen ist zu beobachten, dass der tiefste Punkt am Fahrzeug den höchsten Druck erfährt, während der Druck an höher gelegenen Punkten abnimmt. Zudem erfährt das Fahrzeug bei höheren Geschwindigkeiten insgesamt höhere Drücke.
Bei höheren Geschwindigkeiten zeigt das Druckdiagramm, dass der anfängliche Aufprall den höchsten Druck erzeugt. Dieser Aufprall ist stark genug, um das Wasser vom Fahrzeug wegzudrücken und eine erhebliche Anfangswelle zu erzeugen. Bei etwa 12 Metern holt das Fahrzeug diese Welle ein, und seine Front kommt erneut mit dem Wasser in Kontakt.
Im Gegensatz dazu ist der Druckspitzenwert bei niedrigeren Geschwindigkeiten deutlich kleiner. Aufgrund der geringeren Fahrzeuggeschwindigkeit bewegt sich die beim Einfahren erzeugte Hauptwelle vor dem Fahrzeug her, sodass sich weniger Wasser vor ihm ansammelt. Folglich zeigt das Druckdiagramm für das langsamere Fahrzeug, dass Punkt 7 für den Großteil der Zeit, nachdem das Fahrzeug vollständig im Kanal ist, keinen Kontakt mit dem Wasser hat.
Die folgenden Abbildungen veranschaulichen, wie die Volumen-Samples genutzt werden können. Im rechten Bild sind die Positionen der Volumen-Samples für die linken Reifen zu sehen. Im Diagramm ist das Fluidvolumen im Sample über die Fahrzeugposition dargestellt. Im Allgemeinen müssen die Vorderreifen im Vergleich zu den Hinterreifen eine deutlich größere Wassermenge bewältigen. Dies stimmt mit den obigen Abbildungen überein, in denen das Bedeckungsverhältnis zu sehen ist. Aus dieser Abbildung geht hervor, dass sich Wasser an der Fahrzeugfront ansammelt, während der Rest des Fahrzeugs im Kielwasser dieser Ansammlung einen vergleichsweise niedrigen Wasserstand erfährt.
Beim Vergleich der Hoch- und Niedriggeschwindigkeitssimulationen ergibt sich eine ähnliche Situation wie oben: Bei höheren Geschwindigkeiten müssen sowohl die Vorder- als auch die Hinterreifen eine größere Wassermenge bewältigen.
Erweitertes Szenario: 40 cm Wassertiefe und Konvoisimulation
Die vorherigen Szenarien stellten eine Basislinie bei einer Wassertiefe von 30 cm auf. Um noch anspruchsvollere Waten-Bedingungen und die Grenzen der Fahrzeugfähigkeit zu untersuchen, wurde die Wassertiefe auf 40 cm erhöht, während die Geschwindigkeit bei 3,33 m/s beibehalten wurde. Diese Kombination stellt eine deutlich anspruchsvollere Situation dar und zeigt den Punkt auf, an dem das kompakte DrivAer-Modell seine Waten-Grenzen erreicht.
Kompaktes Personenfahrzeug am Limit: Auftriebsinduziertes Abheben
Bei einer Wassertiefe von 40 cm erhöht sich das vom DrivAer verdrängte Wasservolumen erheblich. Wie im folgenden Video zu sehen ist, überströmt das Wasser bereits beim Einfahren in den Kanal die Motorhaube, noch stärker als im 30-cm-Fall. Im Video gibt die rote Farbe das Bedeckungsverhältnis an und spiegelt wider, in welchem Ausmaß die Fahrzeugoberfläche benetzt wird. Die größere Eintauchtiefe setzt die Fahrzeugfront zudem deutlich höheren Auftriebskräften aus. In Kombination mit dem bei 3,33 m/s erzeugten dynamischen Druck reichen diese Kräfte aus, um die Vorderachslast des Fahrzeugs zu überwinden. Infolgedessen hebt die Fahrzeugfront nach etwa der Hälfte der Kanallänge vom Boden ab. Da das Fahrzeug als Heckantrieb simuliert wird, behält es seinen Antrieb und vervollständigt die Kanalquerung in der Simulation. Aus ingenieurwissenschaftlicher Sicht stellt das Abheben der Vorderachse jedoch ein praktisches Versagen dar: Das Fahrzeug wird unkontrollierbar, und ein Verbrennungsmotor hätte zu diesem Zeitpunkt wahrscheinlich bereits Wasser durch den Lufteinlass angesaugt, was zu einem Antriebsverlust geführt hätte.
Dieses Verhalten veranschaulicht eine grundlegende Grenze von kompakten Personenfahrzeugen in Tiefwasser-Waten-Szenarien: Die relativ geringe Vorderachslast und die begrenzte Bodenfreiheit machen die Fahrzeugfront anfällig für auftriebsinduziertes Abheben, sobald die Wassertiefe einen kritischen Schwellenwert überschreitet.
SUV-Modell: Bessere Watleistung durch Fahrzeugauslegung
Um ein Referenzfahrzeug bereitzustellen, das das 40-cm-Szenario bewältigen kann, wurde eine generische SUV-Geometrie eingeführt. Im Vergleich zum DrivAer weist der SUV eine höhere Bodenfreiheit, eine längere und breitere Karosserie sowie eine größere Gesamtmasse auf. Diese Eigenschaften führen direkt zu einer verbesserten Watleistung. Die höhere Vorderachslast widersteht den Auftriebskräften, die beim DrivAer zum Abheben geführt haben, während die größere Karosserie das Wasser allmählich zur Seite leitet und den resultierenden Auftriebsdruck auf das Fahrzeug reduziert. Ein Vergleich der Abmessungen der beiden Fahrzeugmodelle ist in der folgenden Tabelle zu sehen:
| Parameter | SUV | DrivAer-Modell |
|---|---|---|
| Bodenfreiheit | 0,3 m | 0,15 m |
| Radstand | 3,5 m | 2,8 m |
| Breite | 2,1 m | 1,6 m |
| Gewicht | 2500 kg | 1500 kg |
Der SUV durchquert den vollen 40-cm-Kanal bei 3,33 m/s erfolgreich ohne Bodenkontaktverlust. Das Bedeckungsverhältnis an der SUV-Front ist hoch, aber die Welle bleibt aufgrund der erhöhten Bodenfreiheit des Fahrzeugs unterhalb der kritischen Einlasshöhe. Zudem bleibt die Welle auf die Fahrzeugfront konzentriert, was zu einem vergleichsweise niedrigen Bedeckungsverhältnis entlang der SUV-Seiten führt.
Diese Eigenschaften machen den SUV zu einem geeigneten Führungsfahrzeug für das im folgenden Abschnitt untersuchte Konvoiszenario.
Konvoisimulation: SUV voraus, DrivAer folgt
Nachdem festgestellt wurde, dass das DrivAer unter diesen Bedingungen seine praktische Watengrenze überschreitet, stellt sich die Frage, ob ein kooperatives Szenario dieses Ergebnis ändern kann. Beide Fahrzeuge wurden gemeinsam im Konvoi simuliert, wobei der SUV vorne positioniert war und das Personenfahrzeug mit einem Abstand von etwa 1,3 m folgte.
Während der SUV durch den Kanal fährt, verdrängt er ein großes Wasservolumen und erzeugt in seinem unmittelbaren Kielwasser eine geschützte Zone mit reduzierter Wellenaktivität und ruhigeren Oberflächenbedingungen. Dieser “Wellenschatten” reduziert die hydrodynamische Belastung, die ein hinter ihm fahrendes Fahrzeug erfährt, erheblich.
Das Personenfahrzeug, das in diesem Wellenschatten geschützt ist, trifft auf Wasserbedingungen, die eher der 30-cm-Basislinie als der vollen 40-cm-Tiefe entsprechen. Als direkte Folge davon bleiben die Auftriebskräfte an der Vorderachse unterhalb des kritischen Schwellenwerts, und das DrivAer behält über den gesamten Kanal hinweg den Bodenkontakt.
Das folgende Diagramm zeigt die auf das Fahrzeugchassis wirkende Fluidkraft in Abhängigkeit von der Position des Fahrzeugschwerpunkts. Der dargestellte Bereich von 10,5 m bis 19,5 m umfasst den horizontalen Abschnitt des Kanals, ohne die Ein- und Ausfahrrampen. Es ist deutlich erkennbar, dass die Kräfte auf das Personenfahrzeug im Konvoiszenario sogar niedriger sind als im 30-cm-Basisszenario. Darüber hinaus steigt die Kraft im Konvoiszenario entlang des Kanals allmählich an und nähert sich gegen Ende dem Einzelfahrzeugniveau. Dies zeigt an, dass von der Bugwelle des SUV verdrängtes Wasser nach hinten geleitet wird und die hydrodynamische Belastung des folgenden Personenfahrzeugs schrittweise erhöht.
Der folgende Vergleich zeigt die Bedeckungsverhältnisse für zwei Fälle nebeneinander: das DrivAer allein bei 40 cm und den Konvoi-Fall bei derselben Tiefe. Beide Abbildungen wurden an derselben Position im Kanal aufgenommen, kurz bevor die Vorderachse im Einzelfahrzeugfall abhebt.
Dieses Ergebnis zeigt, dass die Fahrzeuginteraktion beim Waten ein bedeutsamer Faktor bei der Beurteilung der realen Durchfahrtsfähigkeit ist. Die Konvoianordnung reduziert die hydrodynamische Belastung des nachfolgenden Fahrzeugs effektiv auf ein Niveau, das mit der weniger kritischen 30-cm-Basislinie vergleichbar ist, und ermöglicht eine Durchfahrt, die für das Personenfahrzeug allein nicht machbar wäre.
Gerenderte Visualisierung
Die obigen Analysen verwendeten shonDys Standardvisualisierung, um die technischen Ergebnisse so klar wie möglich darzustellen. Das folgende Video zeigt dieselbe Konvoisimulation als hochwertig gerenderte Ausgabe und bietet eine visuelle Zusammenfassung der oben diskutierten Ergebnisse.
