Tank Sloshing auf der Rennstrecke

Das Schwappen des Kraftstofftanks ist die Bewegung der freien Kraftstoffoberfläche in einem teilweise gefüllten Tank, die durch schnelles Beschleunigen, Bremsen, Kurvenfahrten und Bordsteinkanten verursacht wird. Auf einer Rennstrecke sind diese transienten Belastungen groß und abrupt, so dass der sich bewegende Kraftstoff Wellen erzeugen, gegen die Innenwände stoßen und den Ansaugstutzen kurzzeitig freilegen kann. Dieses “Schwappen” verlagert die Masse, erzeugt Druckbelastungen an den Tankwänden und birgt die Gefahr, dass der Aufnehmer freigelegt wird. Im Rennsport kann selbst ein kurzzeitiger Verlust der Kraftstoffzufuhr zu Verzögerungen, Leistungseinbußen oder mechanischen Schäden führen. Um dies zu verhindern, sind die Tanks mit Schwallblechen, Schwalltöpfen oder Anti-Schwapp-Schaum ausgestattet, die die Wellenbewegung dämpfen und eine zuverlässige Aufnahme gewährleisten. Die Simulation hilft den Ingenieuren bei der Vorhersage des Kraftstoffverhaltens unter Rennstreckenbedingungen, bei der Bewertung von Entstörungsmaßnahmen und bei der Optimierung von Konstruktionen im Hinblick auf Leistung und Haltbarkeit. Der hier verwendete Simulationsansatz baut auf unserem früheren validierten Tank Sloshing-Fall auf und demonstriert die Zuverlässigkeit von shonDy für die Vorhersage der Dynamik an der freien Oberfläche.

Fallbeschreibung

Die Fahrbedingungen für diese Studie basierten auf Beschleunigungsdaten, die während einer privaten Fahrt auf dem Lausitzring aufgezeichnet wurden und uns freundlicherweise für Simulationszwecke zur Verfügung gestellt wurden. Der Datensatz wurde mit der Porsche Track Precision App erfasst und repräsentiert eine komplette Runde.

Für die Analyse wurde ein generisches Kraftstofftankmodell aus einer Open-Source-Bibliothek anstelle des ursprünglichen Fahrzeugtanks verwendet. Dieser Ansatz ermöglichte es uns, uns auf das Schwappverhalten selbst zu konzentrieren, ohne uns auf proprietäre Geometrien verlassen zu müssen. In einem weiteren Schritt wurde derselbe Tank mit zwei verschiedenen Trennwandkonfigurationen sowie einer Konfiguration mit porösem Medium modifiziert, um einen Anti-Schwapp-Schaum nachzubilden:

• Statische Trennwände: Trennwände wurden sowohl in Längs- als auch in Querrichtung angebracht, um einen direkten Vergleich der Kraftstoffbewegung mit und ohne herkömmliche Unterdrückungseinrichtungen zu ermöglichen.
• Bewegliche Trennwände Setup: Eine Konstruktion, bei der bewegliche Klappen als dynamische Barrieren wirken und die Strömung weiter beeinflussen. Die detaillierte Geometrie und das Funktionsprinzip dieses Aufbaus werden im folgenden Unterabschnitt beschrieben.
• Anti-Schwapp-Schaum Setup: Ein poröses Medium wird über die gesamte Tankgeometrie hinweg ergänzt und beeinflusst so die Bewegung der Flüssigkeit.

Die Geometrie des Behälters ohne Trennwände und des Behälters mit statischer Trennwände ist in den nachstehenden Abbildungen dargestellt.

Einstellung der beweglichen Trennwände

Zusätzlich zu den statischen Trennwänden wurde eine zweite Konfiguration mit beweglichen Trennwänden untersucht. Zwei Trennwände wurden in seitlicher Richtung angebracht, aber anders als bei der statischen Konstruktion waren ihre unteren Teile mit Gelenken verbunden, die eine kontrollierte Drehung ermöglichten. Die oberen Teile blieben fixiert und fungierten als herkömmliche statische Leitbleche.

Die Klappen waren in ihrer Bewegung nicht völlig frei, sondern je nach Fahrtrichtung gezwungen:

• Uhrzeigersinn (wie auf den Bildern zu sehen): Eine Drehung war nicht erlaubt. Nach einem kurzen Rückschwung wirkten die Klappen wie statische Trennwände, die bei Rechtskurven Widerstand leisteten.
• Gegen den Uhrzeigersinn:
  • Klappe 1 durfte sich zwischen 0° und 90° drehen,
  • Klappe 2 durfte sich zwischen 0° und 45° drehen.

Dieses asymmetrische Verhalten ermöglichte es den Klappen, sich je nach Strömungsrichtung selektiv zu öffnen und in einigen Fällen einen geringeren Widerstand zu bieten, während sie in anderen Fällen weiterhin als Barriere fungierten. Die Geometrie und die Konfiguration sind in den folgenden Abbildungen dargestellt.

Anti-Schwapp-Schaum Setup

Neben der Konfiguration mit Trennwänden wurde eine dritte Konfiguration mit Anti-Schwapp-Schaum untersucht. Über die gesamte Tankgeometrie wurde ein poröses Medium ergänzt, das den in Rennfahrzeugen eingesetzten Anti-Schwapp-Schaum nachbildet. Die Eigenschaften des Schaums werden durch drei Parameter definiert: den Darcy-Koeffizienten, den Forchheimer-Koeffizienten und die Porosität. Der Darcy-Koeffizient $\alpha$ beschreibt den linearen Widerstand im porösen Medium und wird aus der Permeabilität $K$ berechnet:

Der Forchheimer-Koeffizient $\beta$ beschreibt den quadratischen Widerstand und wird aus der Formwiderstandskonstante $c_F$ und der Permeabilität $K$ berechnet:

Die Schaumeigenschaften basieren auf der Arbeit von Hayrullin et al. (2023). Es wurde ein Polyurethanschaum (PUF) mit 20 Poren pro Zoll (PPI) und einer Porosität von 0,97 verwendet. Mit einer Permeabilität von $K = 1{,}889 \times 10^{-7}\ \text{m}^2$ und einer Formwiderstandskonstante von $c_F = 0{,}198$ beträgt der Darcy-Koeffizient $\alpha = 5\,300\,000\ \text{m}^{-2}$ und der Forchheimer-Koeffizient $\beta = 446\ \text{m}^{-1}$.

Ergebnisse

Das erste Video zeigt einen Überblick über die Simulation des Tanks ohne Trennwände. Das Filmmaterial beginnt, als der Fahrer sich Turn 1 (T1) nähert. Das Video ist in zwei Abschnitte unterteilt: der erste deckt T1 bis T5 ab, der zweite erstreckt sich über T12 bis zur Ziellinie.

In der oberen Hälfte des Videos ist der simulierte Tank und damit die Bewegung des Kraftstoffs zu sehen. Selbst unter relativ moderaten Fahrbedingungen, wenn der Fahrer das Auto nicht bis an seine Grenzen belastet, zeigt der Kraftstoff starke seitliche Bewegungen als Reaktion auf die wirkenden Kräfte.

Dies zeigt, dass das Schwappen bereits unter typischen Rennstreckenbedingungen spürbar ist. In Hochleistungsszenarien, in denen es auf jede Zehntelsekunde ankommt, können selbst diese kleinen Massenverschiebungen die Fahrzeugbalance und das Fahrverhalten negativ beeinflussen.

Leistung der Trennwände

Das zweite, dritte und vierte Video konzentriert sich auf die Kurven 1 bis 5 und vergleicht die Kraftstoffbewegung in vier Konfigurationen: ohne Trennwände, mit statischen Trennwänden, mit beweglichen Trennwänden und mit Anti-Schwapp-Schaum.

Statische Trennwände

In der statischen Anordnung ist ein deutlicher Unterschied im Flüssigkeitsverhalten zu erkennen:

• Mit Trennwänden: Der Kraftstoff wird gleichmäßiger verteilt und seine Bewegung wird gedämpft. Der Massenschwerpunkt (CoM) erreicht schließlich die gleiche Position wie im Fall ohne Trennwände, aber der Übergang ist aufgrund der Einschränkungen durch das Umlenkblech langsamer.
• Ohne Trennwände: Der Kraftstoff bleibt kompakt und bewegt sich schnell von einer Seite zur anderen.

Dies wird durch die seitliche Schwerpunkt-Visualisierung im Video direkt bestätigt:

• Grünes Kreuz: Schwerpunkt ohne Trennwände.
• Gelbes Kreuz: Schwerpunkt mit statischen Trennwänden.

Zu Beginn der Kurve bewegt sich das grüne Kreuz deutlich schneller als das gelbe, was verdeutlicht, wie statische Leitbleche schnelle Massenverlagerungen reduzieren und die Stabilität verbessern.

Bewegliche Trennwände

Die Anordnung mit beweglichen Trennwänden zeigt ein anderes Verhalten als der statische Fall und der Fall ohne Trennwände:

• Mit beweglichen Trennwänden: Die Flüssigkeit wird länger im rechten Abschnitt zurückgehalten und verlagert sich allmählich in die Mitte und zur linken Seite.
• Vergleich:
  • In Rechtskurven wird die Bewegung des Fluids viel stärker gedämpft als in den beiden anderen Konfigurationen.
  • In Linkskurven ermöglichen die Klappen eine größere Bewegungsfreiheit, so dass sich die Flüssigkeit fast genauso schnell, oder in einigen Fällen etwas schneller, bewegt wie bei der statischen Einstellung, aber immer noch langsamer als ohne Trennwände.

Die Visualisierung des Schwerpunktes bestätigt diese Beobachtungen:

• Grünes Kreuz: Schwerpunkt ohne Trennwände.
• Gelbes Kreuz: Schwerpunkt mit statischen Trennwänden.
• Rosa Kreuz: Schwerpunkt mit beweglichen Trennwänden.

Dies verdeutlicht, wie das Klappendesign einen Zwischeneffekt erzeugt, der in einer Richtung für eine starke Dämpfung sorgt, während er in der anderen Richtung eine freiere Strömung ermöglicht.

Anti-Schwapp-Schaum

Die Konfiguration mit Anti-Schwapp-Schaum zeigt im Vergleich zu den anderen Konfigurationen grundlegend andere Strömungsdynamik:

• Mit Anti-Schwapp-Schaum: Die Bewegung der Flüssigkeit im Tank wird gehemmt, so dass sie in Kurven länger im mittleren Bereich verbleibt. Dies führt zur langsamsten seitlichen Flüssigkeitsverschiebung aller Konfigurationen.
• Vergleich: Im Gegensatz zur Konfiguration mit beweglichen Trennwänden verlagert sich die Flüssigkeit schließlich vollständig auf beide Seiten. Dies trennt das Verhalten dieser beiden Konfigurationen klar voneinander, obwohl beide eine insgesamt langsame Massenverschiebung aufweisen.

Dieses Verhalten ist eine direkte Folge der Darcy-Forchheimer-Gleichung, bei der die Widerstandskraft von der Flüssigkeitsgeschwindigkeit abhängt. Der Darcy-Term skaliert linear mit der Geschwindigkeit ($\propto v$) und der Forchheimer-Term quadratisch ($\propto v^2$). Wenn die Flüssigkeit nahezu in Ruhe ist, ist der Widerstand minimal und die Flüssigkeit beginnt sich relativ frei zu beschleunigen. Mit zunehmender Geschwindigkeit wachsen beide Widerstandsterme, und der Dämpfungseffekt wird immer ausgeprägter. Der Schaum verhindert daher nicht die anfängliche Flüssigkeitsbewegung, verlangsamt diese jedoch zunehmend, sobald die Flüssigkeit Geschwindigkeit aufbaut.

Die Visualisierung des Schwerpunktes bestätigt diese Beobachtungen:

• Grünes Kreuz: Schwerpunkt ohne Trennwände.
• Gelbes Kreuz: Schwerpunkt mit statischen Trennwänden.
• Rosa Kreuz: Schwerpunkt mit beweglichen Trennwänden.
• Blaues Kreuz: Schwerpunkt mit Anti-Schwapp-Schaum.

Masseschwerpunkt Geschwindigkeit

Das nachstehende Diagramm veranschaulicht die Geschwindigkeit des Massenschwerpunkts im Laufe der Zeit.

• Keine Trennwände: Der Schwerpunkt bewegt sich deutlich schneller, manchmal erreicht er die doppelte oder sogar dreifache Geschwindigkeit im Vergleich zu den Gehäusen mit Trennwänden. Scharfe Geschwindigkeitsspitzen verdeutlichen die schnelle Beschleunigung und Abbremsung der Flüssigkeit.
• Mit Trennwänden: Sowohl statische als auch Klappen-Leitbleche sowie der Anti-Schwapp-Schaum erzeugen breitere, glattere Geschwindigkeitsprofile, was die dämpfende Wirkung der Strukturen zeigt.
• Bewegliche Trennwände: Bei Rechtskurven (negative Werte) wird die Geschwindigkeit stark gedämpft, mit nur geringer Flüssigkeitsbewegung. In Linkskurven ist die Geschwindigkeit vergleichbar mit dem Fall der statischen Trennwände.
• Anti-Schwapp-Schaum: In Linkskurven ist die Geschwindigkeit vergleichbar mit der Konfiguration mit beweglichen Trennwänden und mitunter sogar geringer. In Rechtskurven liegt sie unter den Werten der Konfigurationen ohne Trennwände und mit statischen Trennwänden, jedoch über denen der beweglichen Trennwände.

Im späteren Verlauf der Runde werden die Unterschiede zwischen den einzelnen Szenarien deutlicher, was darauf zurückzuführen ist, dass alle vier Simulationen von der gleichen anfänglichen Flüssigkeitsverteilung ausgehen.

Ansaug-Abdeckung

Das zweite Diagramm bewertet die Kraftstoffabdeckung an der Ansaugstelle. Eine zuverlässige Versorgung ist entscheidend für eine stabile Kraftstoffversorgung. Um dies zu beurteilen, wurde ein kleines Probenfenster direkt vor dem Aufnehmer platziert, so dass kontinuierlich überwacht werden konnte, ob sich an dieser Stelle Flüssigkeit befand (siehe Abbildung unten).

Die Ergebnisse zeigen:

• Statische Trennwände: Nur eine geringfügige Verbesserung im Vergleich zum Gehäuse ohne Trennwände. In der Praxis bleibt die Abdeckung des Ansaugbereiches nahezu gleich.
• Bewegliche Trennwände: Eine wesentliche Verbesserung. Da sich der Ansauger im rechten Abschnitt befindet, schränkt die Klappenkonfiguration den Abfluss zu anderen Bereichen ein, während die Flüssigkeit weiterhin ungehindert zurückfließen kann. Dadurch bleibt der Ansauger fast durchgehend bedeckt, mit nur zwei kurzen Unterbrechungen während der Runde.
• Anti-Schwapp-Schaum: Keine Verbesserung gegenüber der Konfiguration ohne Trennwände hinsichtlich der Gesamtabdeckung. Dies ist auf die geschwindigkeitsabhängige Natur des Darcy-Forchheimer-Widerstands zurückzuführen: Da sowohl der lineare als auch der quadratische Term bei niedrigen Geschwindigkeiten gering sind, bewegt sich die Flüssigkeit anfänglich nahezu ungehindert. Die Dämpfung wird erst wirksam, wenn die Flüssigkeit bereits Geschwindigkeit aufgebaut hat, zu welchem Zeitpunkt der Ansauger bereits freigelegt ist.

Zusammenfassung

In dieser Fallstudie wurde eine Vollrunden-Simulation eines teilweise gefüllten Kraftstofftanks auf dem Lausitzring “Grand Prix Layout” durchgeführt, um das Schwappen des Tanks unter realen Fahrbedingungen zu untersuchen. Beschleunigungsdaten, die während einer privaten Fahrt auf der Rennstrecke aufgezeichnet wurden, dienten zur Nachbildung von Brems-, Kurven- und Beschleunigungsmanövern.

Ein generisches Tankmodell aus einer Open-Source-Bibliothek wurde in vier Konfigurationen simuliert: ohne Trennwände, mit statischen Trennwänden in Längs- und Querrichtung, mit beweglichen Trennwänden in Querrichtung und mit einem als poröses Medium modellierten Anti-Schwapp-Schaum über das gesamte Tankvolumen. Die Simulationen veranschaulichten die Kraftstoffbewegung, die seitlichen Massenverlagerungen und das Verhalten des Massenschwerpunkts während einer Runde. Darüber hinaus wurde die Kraftstoffversorgung an der Ansaugstelle über ein kleines Stichprobenfenster überwacht, um die Flüssigkeitsverfügbarkeit im Laufe der Zeit zu quantifizieren.

Die Ergebnisse zeigen, dass statische Trennwände schnelle seitliche Verschiebungen reduzieren und die Flüssigkeitsbewegung dämpfen, während bewegliche Trennwände eine Zwischenwirkung haben: Sie dämpfen die Bewegung in einer Richtung stark, während sie in der anderen Richtung einen freieren Fluss ermöglichen. Die beweglichen Trennwände verbesserten auch die Ansaugabdeckung, so dass der Ansaugtrakt nahezu kontinuierlich versorgt wurde, während die statischen Trennwände nur eine geringfügige Verbesserung gegenüber der Konfiguration ohne Trennwände bewirkten. Der Anti-Schwapp-Schaum erzielte die insgesamt langsamste seitliche Massenverschiebung aller Konfigurationen, mit CoM-Geschwindigkeiten, die in den meisten Fahrtphasen vergleichbar mit oder geringer als die der beweglichen Trennwände waren. Aufgrund der geschwindigkeitsabhängigen Natur des Darcy-Forchheimer-Widerstands bietet der Schaum jedoch zu Beginn der Flüssigkeitsbewegung kaum Widerstand, so dass sich die Ansaugabdeckung gegenüber der Konfiguration ohne Trennwände nicht verbesserte.

Insgesamt zeigen diese Simulationen, dass das instationäre CFD-Verfahren mit freier Oberfläche das dynamische Kraftstoffverhalten unter realistischen Bedingungen auf der Rennstrecke erfassen kann. Der Ansatz bietet eine solide Grundlage für die Bewertung und Optimierung von Tankgeometrien, Trennwänden und der Platzierung von Kraftstoffeinlässen, so dass die Ingenieure Änderungen virtuell testen und verfeinern können, bevor sie den Prototyp bauen.