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Der Einsatz von pneumatischen Aktuatoren ist eine häufig genutzte Methode zur aktiven Strömungsbeeinflussung von stumpfen Körpern. Die Strömung um den oder die stumpfen Körper kann durch stationäres oder gepulstes Einsaugen und/oder Ausblasen bewusst manipuliert werden. Ein Großteil der Arbeiten zur aktiven Strömungsbeeinflussung von stumpfen Körpern befasst sich mit der Aufdeckung grundlegender Strömungsphänomene und der Anwendbarkeit auf einfache Konfigurationen bzw. vereinfachten Modellen. Ein Fokus der Industrie und der wissenschaftlichen Forschung liegt dabei in der aktiven Strömungsbeeinflussung von Automobilen zur Beeinflussung des Widerstands, des Auftriebs und/oder des Giermoments. In der vorliegenden Arbeit wird mit Hilfe der aktiven Strömungsbeeinflussung durch pneumatische Aktuatoren der Widerstand bzw. ein gewünschter Strömungszustand bei vereinfachten Fahrzeugmodellen eingeregelt. Im Gegensatz zu einer Steuerung kann dadurch ein gewünschter Widerstand bzw. Strömungszustand auch bei Vorhandensein von Störungen eingestellt und beibehalten werden. Es werden zwei verschiedene Konfigurationen betrachtet und mit einem einheitlichen Regelungskonzept behandelt: eine Tandemkonfiguration von zweidimensionalen stumpfen Körpern und ein dreidimensionales generisches Fahrzeugmodell, der sogenannte Ahmed-Körper mit 25◦-Schrägheck. Die Tandemkonfiguration stellt zwei hintereinander fahrende Automobile dar. Unterschiedliche Abstände der beiden Körper voneinander beeinflussen die Strömung um diese Konfiguration und werden als Störung im Regelkreis aufgefasst. Der Ahmed-Körper hingegen besitzt aufgrund der dreidimensionalen Form eine komplexe dreidimensionale und instationäre Strömung. Bei beiden Konfigurationen wird der Einfluss der Aktuation auf den Widerstand durch sogenannte Blackbox-Modelle beschrieben. Diese werden in der vorliegenden Arbeit auf experimentellem Weg gewonnen. Zur Regelung der Strömung des Ahmed-Körpers werden modellprädiktive Regler basierend auf nominellen Modellen entworfen. Die Regelung der Strömung um die Tandemkonfiguration wird mit verschiedenen Varianten von robusten modellprädiktiven Reglern umgesetzt. Die verschiedenen robusten modellprädiktiven Regler gewährleisten für eine definierte Menge an Modellen, der sogenannten Modellfamilie, robuste Stabilität. Die verschiedenen modellprädiktiven und robusten modellprädiktiven Regler werden erfolgreich in Windkanalexperimenten implementiert. Den Abschluss der Arbeit bildet ein Vergleich der Performance der einzelnen Regler und eine Diskussion zu deren Eignung zur Regelung von strömungsphysikalischen Prozessen. Pneumatic actuators are often used in active flow control (AFC) applications of bluff bodies. These actuators allow the manipulation of the flow around bluff bodies through steady or pulsed suction and/or blowing. So far, most of the work on AFC of bluff bodies deals with basic research or the application of AFC in simple configurations. Especially the automotive industry is highly interested in AFC research concerning reduced aerodynamic drag, reduced lift and/or influencing the yaw moment. In this work, AFC through pneumatic actuators is applied in simple models of automobiles in order to reduce the drag or to adjust a desired flow state. Furthermore, closed-loop controllers are implemented and tested in wind tunnel experiments. In comparison to open-loop control, closed-loop control can react to disturbances, such as wind gusts, and leads to better results in experiments with disturbances or uncertain driving or flow conditions. Two configurations are examined in this thesis: a tandem configuration of two-dimensional bluff bodies and a three-dimensional generic car model, the so-called Ahmed body with a slant angle of 25◦. The tandem configuration represents two driving automobiles in a row. Different distances between the two bodies result in different formations of the flow around the tandem configuration which are acting as disturbances in the closed-loop system. The flow around the Ahmed body is challenging to control because the three-dimensional set-up results in a complex three-dimensional and instationary flow. The influence of the actuation on the drag of both examined configurations is described through black-box models. These models are identified through experiments. Model predictive controllers based on identified nominal models are used to control the flow around the Ahmed body. The flow around the tandem configuration is controlled by different robust model predictive controllers. These controllers take an uncertainty into account by including an identified model family. The model predictive as well as the robust model predictive controllers are applied successfully in wind tunnel experiments. The thesis concludes with a comparison of the performance of the controllers and a discussion of their suitability for control of flow processes. |
