Akustische Berechnung in der Wärmeerzeugerentwicklung. der Wärmeerzuegerentwicklung. Akustische Berechnung in der in Wärmeerzeugerentwicklung

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1 Seite 1 < TB / x_hofm Viessmann Werke Akustische Berechnung in der Wärmeerzeugerentwicklung Vorstellung Viessmann Technische Berechnung bei Viessmann Reine Strukturmodelle Reine Fluidmodelle Gekoppelte Akustikanalysen Aeroakustik Thermoakustik

2 Seite 2 < TB / x_hofm Viessmann Werke Viessmann Werke

3 Seite 3 < TB / x_hofm Viessmann Werke Komplettprogramm 1,5 kw kw Öl Gas Solar Bioenergie Naturwärme Energieträger: Leistungsbereiche: Anwendungsbereiche: Systemtechnik: Öl, Gas, Solar, Bioenergie (Holz, Biogas), Naturwärme 1,5 kw bis kw Einfamilienhäuser, große Wohngebäude, Gewerbe / Industrie, Nahwärmenetze Komplette Systeme mit aufeinander abgestimmten Komponenten

4 Seite 4 < TB / x_hofm Viessmann Werke Technische Berechnung bei Viessmann Interner Dienstleister für numerische Berechnung Zur Zeit 8 Mitarbeiter Linux-Rechencluster mit 168 Cores Software von ANSYS und MSC.Software Pre & Post Numerische Optimierung Methodenentwicklung Strukturmechanik Akustik Umformsimulation Lebensdauervorhersage Strömungssimulation Wärmeübertragung Verbrennungssimulation

5 Seite 5 < TB / x_hofm Viessmann Werke Reines Strukturmodell Berechnungsmodell Definition von ERP Panels 2D-Mittelflächenmodell Eigenwert- und Frequency Response Analyse Anregung als weißes Rauschen. Definition von Panels zur Berechnung von Equivalent Radiated Power (ERP).

6 Seite 6 < TB / x_hofm Viessmann Werke ERP [db] Strukturmodell => ERP Grundträger Front Grundträger Front oben Grundträger unten Grundträger links Grundträger rechts Grundträger unten Frequenz Panel ERP 150 Hz Beschreibung [db] Alle Panels Frequenz [Hz] 1 Grundträger Front Grundträger Front obere Hälfte Brennkammer hinten Abgaskasten Oberblech schräg Brennkammer vorne Luftkasten links links Abgaskasten Seitenteil links Abgaskasten Oberblech hinten Abgaskasten Seitenteil rechts Grundträger Front untere Hälfte ERP-Werte ERP-Ranking ERP liefert die Körperschallleistung für vom User definierte Panels. Neben der Darstellung als Diagramm lässt sich eine Ranking einzelner Fläche (Bauteile) erzeugen.

7 Seite 7 < TB / x_hofm Viessmann Werke ERP [db] Strukturmodell => Optimierung Schwerfolienkontur Grundträger Front Grundträger Front Optimiert Frequenz [Hz] Verteilung der Schwerfolie (grün) ERP-Werte Zielfunktion: Minimierung der ERP Werte Die optimierte Verteilung zeigte im Frequenzbereich von 0-500Hz, außer 250Hz, bei allen Vielfachen von 50Hz eine Verringerung bzw. keine Verschlechterung im Vergleich zur Ausgangssituation.

8 Seite 8 < TB / x_hofm Viessmann Werke Strukturmodell => Sickenoptimierung Verprägungen aus der Optimierung Schallleistungsmessung Die Messungen zeigt eine Reduktion der Schallleistung um 13dB bei 100Hz durch die Verprägung. Die Herstellbarkeit des Bleches wurde durch entsprechende Umformsimulationen sichergestellt. Das entwickelte Blech wird in großer Stückzahl erfolgreich in Serie eingesetzt.

9 Seite 9 < TB / x_hofm Viessmann Werke Reines Fluidmodell => Schallquelle Austritt Eintritt Gesamtmodell mit AFPM Monopolschallquelle Monopolschallquelle mit konstanter Leistung von 60dB an der Position des Laufrades.

10 Seite 10 < TB / x_hofm Viessmann Werke Reines Fluidmodell => Druckverteilung Druckverteilung Schallintensität am AFPM Druckverteilung im Fluid. Schallintensität Normal durch das AFPM.

11 Seite 11 < TB / x_hofm Viessmann Werke Schalleistung [db] Reines Fluidmodell => Schallleistung Zuluft Winter- und Sommerbetrieb Eintritt Zuluft Winter Bogen 202 Austritt Zuluft Winter Bogen 202 Eintritt Zuluft Sommer Bogen 222 Austritt Zuluft Sommer Bogen Frequenz [Hz] Schallleistung am AFPM Deutlicher Einfluss der Betriebsart bei höheren Frequenzen trotz gleicher Anregung.

12 Seite 12 < TB / x_hofm Viessmann Werke Gekoppelte Akustikanalysen Schallintensität auf der Inneren Struktur Schalldruck im Innenraum Vorhandenes Strukturmodell erweitert um interior und/oder exterior Fluid(s). Das dyn. Verhalten der Struktur beeinflusst das dyn. Verhalten des Fluid und umgekehrt. Starre Kopplung des inneren Fluids und starke oder schwache Kopplung des äußeren Fluids. Berücksichtigung von sowohl Körper- als auch Luftschallanregung. Teilweise hoher Vernetzungsaufwand, kein automatisches Vernetzen des Innenraums möglich.

13 Seite 13 < TB / x_hofm Viessmann Werke Gekoppelte Akustikanalysen => inneres Fluid Druckverteilung im Fluid bei kritischer Frequenz Eigenwert des Inneren Fluids Hier wird die Systemantwort stark von einem Eigenwert des inneren Fluid bestimmt.

14 Seite 14 < TB / x_hofm Viessmann Werke Schallintensität im Fluid ISO-Surface Vektoren Mit Hilfe der Schallintensität wird der Energiefluss im Fluid deutlich veranschaulicht.

15 Seite 15 < TB / x_hofm Viessmann Werke Gekoppelte Akustikanalysen => äußere Struktur DESVAR Properties COEFFICIENT Bauteil 3 P03_T 2,74E-002 Kältekonsole 5 P05_T 1,99E-003 Tragprofil-vorne 11 P11_T 1,36E-003 Führungsschiene links 2 P02_T 6,02E-004 Halter_Wärmetauscher 10 P10_T 4,83E-004 Führungsschiene rechts 6 P06_T 6,97E-006 Verdampfer 4 P04_T -1,24E-005 Tragprofil-hinten Verformung Aussenbleche Ranking Sensitivitäten Die Anregung des äußeren Gehäuses erfolgt sowohl durch Luft- als auch Körperschall. Eine Sensitivitätsanalyse zeigt, welches Bauteil den größten Einfluss auf das Antwortverhalten hat.

16 Seite 16 < TB / x_hofm Viessmann Werke Gekoppelte Akustikanalysen => ERP äußere Struktur ALLPANEL VORNE UNTEN STEG RECHTS OBEN LINKS 101 Equivalant Radiated Power 34,50 53,06 71,63 90,19 108,8 127,3 145,9 164,4 Frequenz Panel 153Hz ERP [db] Außenbleche 74.2 Rückwand hinten 72.1 Rückwand unten 65.8 Seitenblech links 63.1 Seitenblech rechts 62.1 Vorderblech 60.4 Oberblech 55.7 HINTEN BOX Frequency [Hz] x_hofm ERP 153Hz ERP einiger Aussenbleche Ranking von Bauteilen nach User definierten Panels. Mode Participation Factors GRID POINT /T3 LOAD FREQUENCY 105 MAXIMUM MODAL RESP MODE ID NATURAL MODAL FREQ (HZ) FRACTION E E E E E E E E E E Hz

17 Seite 17 < TB / x_hofm Viessmann Werke Gekoppelte Akustikanalysen => äußeres Fluid Verformung der Aussenbleche Druckverteilung im Exterior Fluid Sowohl Struktur- als auch Fluid Elemente in einem Modell vorhanden. Wie bei dem inneren Fluid ist auch hier ein nicht konformes Fluid-Struktur Interface möglich. Direct Frequency Response des Exterior Fluids ist notwendig. Struktur und Inneres Fluid können modal gelöst werden.

18 Seite 18 < TB / x_hofm Viessmann Werke Abgestrahle Schallleistung [mw] Gekoppelte Akustikanalysen 1 0,1 0,01 1E-3 1E-4 1E-5 1E-6 1E Frequenz [Hz] AFPM AFPM Schallintensität am AFPM Abgestrahlte Schallleistung am AFPM Das äußere Gehäuse wird deutlich durch den Luftschall im Inneren des Gehäuses angeregt. Für das Acoustic Field Point Mesh (AFPM) sind als Ergebnis, neben der Intensität, auch die Geschwindigkeit und der Druck verfügbar. Die Schallleistung durch das AFPM entspricht einer Messung nach Norm.

19 Seite 19 < TB / x_hofm Viessmann Werke Elapsed Time [min] Schwache Kopplung Full Coupled Weak Vi ACOWEAK 2009 hat Viessmann eine eigene Lösung für die schwache Kopplung in Nastran entwickelt. Seit Version besteht in MSC Nastran die Möglichkeit der schwachen Kopplung. In der Praxis gibt es selten eine Rückkopplung des ext. Fluids auf die Struktur. Bei der schwachen Kopplung wirkt nur die Struktur auf das äußere Fluid. Gute Übereinstimmung der Ergebnisse. Deutliche Performance Vorteile gegenüber der Voll gekoppelten Rechnung.

20 Seite 20 < TB / x_hofm Viessmann Werke Aeroakustik Aeroakustikuntersuchungen werden mit Hilfe von CFD durchgeführt. Strömung mit rotierendem Ventilator. Identifikation von potentiellen Schallquellen.

21 Seite 21 < TB / x_hofm Viessmann Werke Thermoakustik Brenner Flamme Kessel Thermoakustischer Regelkreis Druckverteilung bei dem ersten Eigenmode Übertragungsverhalten von Brenner und Kessel werden berechnet Das Übertragungsverhalten der Flamme ist nur sehr aufwendig zu messen. Daher ist keine Vorhersage über die thermoakustische Stabilität möglich Bei bekannten Problemfrequenzen können sehr gut Maßnahmen erarbeitet werden.

22 Seite 22 < TB / x_hofm Viessmann Werke Thermoakustik => Übertragungsfunktion Druckverteilung im Brenner Druckverteilung in der Brennkammer Berechnen der Eigenwerte mit bzw. ohne Kopplung zur Struktur. Vergleich der gemessenen und berechneten Frequenzen. Identifikation der Haupt verantwortlichen Moden und Analyse der Druckverteilung. Berechnung mehrere Geometrievarianten um den Einfluss auf die Moden zu erkennen.

23 Seite 23 < TB / x_hofm Viessmann Werke Druckamplitude [ MPa ] Thermoakustik => Temperatureinfluss 10 Kessel Fluid Temp max. 600 C Kessel Fluid Temp aus CFD Analyse 1 0,1 0,01 1E Frequenz [ Hz ] Temperaturverteilung aus CFD Übertragungsfunktion des Kessels Übernahme der Temperaturen aus der CFD-Analyse. Deutlicher Einfluss der Temperatur auf die Übertragungsfunktion des Kessels.

24 Seite 24 < TB / x_hofm Viessmann Werke Thermoakustik => Nichtkompatible Netze Nicht konformes Fluid-Netz Eigenform der Brennkammer Nicht konforme Fluid-Netze werden mit dem Nastran Kontakt Algorithmus zusammen gefügt. Kein Diskontinuitäten in der Druckverteilung. Flexible Vernetzung möglich.

25 Seite 25 < TB / x_hofm Viessmann Werke Thermoakustik => Schallweiche Gehäuse Gekoppeltes Berechnungsmodell Eigenform der Brennkammer Gekoppelte Struktur und Fluid Analyse. Variation der Temperatur, und damit die Steifigkeit, für das Strukturmodell. Deutlicher Einfluss der Temperatur des Kunststoffbauteiles auf die 2. und 3. Eigenfrequenz und des Übertragungsverhaltens des Fluids..

26 Seite 26 < TB / x_hofm Viessmann Werke Druckamplitude [ MPa ] Thermoakustik => Shapeoptimierung 100 Ausgangszustand Nach der Optimierung ,1 0, Frequenz [ Hz ] Modell vor und nach der Optimierung Übertragungsverhalten SOL 200 Shapeoptimierung Ziel: Verschieben der ersten und zweiten Eigenfrequenz auf explizite Werte. Parameter: Kanallänge und Lochposition.

27 Seite 27 < TB / x_hofm Viessmann Werke Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 6.Norddeutsches Simulationsforum, Hamburg, Michael Hoffmann, MSC.Software GmbH Andreas Schubert, Viessmann Werke GmbH & Co KG

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