Vergleich und Adaption verschiedener Modellierungskonzepte zur numerischen Simulation von Wärmeübergangsphänomenen bei Motorbauteilen

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1 Vergleich und Adaption verschiedener Modellierungskonzepte zur numerischen Simulation von Wärmeübergangsphänomenen bei Motorbauteilen DIPLOMARBEIT zur Erlangung des akademischen Grades DIPLOMINGENIEUR in der Studienrichtung MECHATRONIK Angefertigt am Institut für Mechanik und Maschinenlehre, Abteilung für Strömungslehre und Wärmeübertragung in Zusammenarbeit mit BMW Motoren GmbH in Steyr, Abteilung Simulation und CAE Betreuung: O. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Philipp Gittler Dipl.-Ing. Dr. Stefan Pirker Dipl.-Ing. Roswitha Kroiss Eingereicht von: Manfred Danter Linz, 4. September 2003 Johannes Kepler Universität A-4040 Linz Altenbergerstraße 69 Internet: DVR

2 Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand an der Abteilung Simulation/CAE bei BMW Motoren in Steyr und an der Abteilung für Strömungslehre und Wärmeübertragung des Instituts für Mechanik und Grundlagen der Maschinenlehre der Johannes Kepler Universität in Linz. An dieser Stelle möchte ich mich bei Herrn O.Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Philipp Gittler von der Universität Linz und Dipl.-Ing. Dr. Peter Nefischer von der BMW-Motoren GmbH bedanken, die mir diese Arbeit ermöglicht und mich dabei unterstützt haben. Ich möchte aber auch die Gelegenheit wahrnehmen mich für die freundliche und tatkräftige Unterstützung seitens des Teams der Abteilung Simulation/CAE bei BMW Motoren in Steyr und seitens der Abteilung für Strömungslehre und Wärmeübertragung des Instituts für Mechanik und Grundlagen der Maschinenlehre der Johannes Kepler Universität in Linz zu bedanken, ohne der die erfolgreiche Ausarbeitung dieser Diplomarbeit nicht möglich gewesen wäre. Ein besonderer Dank gilt den Betreuern, Dipl.-Ing. Roswitha Kroiss und Dipl.-Ing. Peter Grafenberger von der BMW Motoren GmbH, sowie Dipl.-Ing. Dr. Stefan Pirker und Dipl.-Ing. Mirko Javurek von der Johannes Kepler Universität Linz, die stets ein offenes Ohr für meine Fragen und Anliegen hatten und mir allzeit mit fachkundigem Rat zur Seite standen. Letztendlich möchte ich mich noch für den Beistand jener Personen bedanken, die während meiner (nicht immer ganz einfachen) Studienzeit, nie den Glauben an mich verloren haben im Besonderen meiner Familie und meiner Freundin Barbara.

3 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung 4 2. Grundlagen Turbulente Strömungen Grundgleichungen der Strömungsmechanik TurbulenterImpulsaustausch Turbulenter Wärmeaustausch Wandnahe Strömungen Wärmeübergang Konvektiver Wärmeübergang WärmeübergangbeimSieden Untersuchung und Adaption von Wärmeübergangsmodellen Einleitung Strömungskanal Aufbau Messungen Untersuchung verschiedener Wandmodellierungskonzepte Die verschiedenen Arten der Wandmodellierungen in FLUENT StrömungssimulatoninFLUENT ErgebnisseundAuswertung Siedemodelle VergleichzweierSiedemodelle OptimierungderSiedemodelle Kennlinienoptimierung VergleichderOptimierungsergebnisse SensitivitätsanalysedesBDL-Modells Ausblick Zusammenfassung Literatur 106 2

4 INHALTSVERZEICHNIS 3 A Anhang 108 A1. Simplex-Algorithmus A2. MapleBerechnungsskript A2.1. Vergleichsrechnung - Strömungskanal

5 1. Einleitung Die moderne Motorenentwicklung führt zu immer größerer Leistungsausbeute und damit zu höherer thermischer Belastung der Bauteile, vor allem im Bereich des Zylinderkopfes. Es ist daher unbedingt notwendig, die Bauteiltemperaturen an besonders kritischen Stellen in Grenzen zu halten. Dies erfordert ein optimiertes effizientes Kühlsystem, das für erhöhte Wärmeabfuhr sorgt. Zur Verbesserung der Kühlung an diesen Stellen kann man lokal den Massendurchsatz bzw. die Geschwindigkeit erhöhen oder den Effekt des erhöhten Wärmetransportes beim unterkühlten Blasensieden ausnützen. Die Strategie hat den Vorteil, dass die Kühlmittelpumpe aufgrund niedrigerem Massendurchsatz dem Motor weniger Energie entzieht und damit der Kraftstoffverbrauch verringert wird. Zur Ermittlung der lokalen Geschwindigkeits- und Wärmeübergangsverteilung in einem Wasserkühlmantel stellt die dreidimensionale Strömungssimulation (Computational Fluid Dynamics - CFD) ein effizientes Hilfsmittel dar, und wird in starkem Maße in den Entwicklungsprozess eingebunden. Bei dieser Methode wird das Fluidvolumen durch endlich große Zellen diskretisiert, und für jedes einzelne Teilvolumen werden die Erhaltungsgleichungen für Masse, Impuls und Energie gelöst. Bei der Ermittlung des gesamten Wärmeüberganges spielen die Wandmodellierungskonzepte eine wichtige Rolle, da sie je nach Diskretisierung des Fluids in Wandnähe, unterschiedliche Eigenschaften liefern. Gängige CFD-Codes wie StarCD, Fluent, CFX, Fire, usw. berücksichtigen nur den konvektiven Wärmetransport. Siedeeffekte bleiben also unberücksichtigt, wodurch bei hohen Oberflächentemperaturen der Wärmestrom falsch berechnet wird. Für die realistische Modellierung des Wärmeüberganges mit Strömungssieden ist daher die Implementierung von Siedemodellen wichtig und unbedingt notwendig. Bis dato wurde bei BMW der Einfluss des Siedens bei Kühlmittelströmungen mit dem Chen/- Campbell - Siedemodell berücksichtigt, das aber Defizite bei großen Temperaturgradienten aufweist. Daher wurde an der TU-Graz zur Untersuchung des komplexen Phänomens des Siedens ein Strömungskanal aufgebaut, um ein Siedemodell zu entwickeln und zu validieren, das die Messungen am Strömungskanal qualitativ wiederspiegelt. Aufgabe dieser Arbeit ist es, die Ermittlung des Wärmeübergangs in der CFD-Simulation zu untersuchen und zu verbessern. Dazu zählt sowohl die Untersuchung des konvektiven Wärmeüberganges als auch des Wärmeüberganges zufolge Siedens, der mit den entsprechenden Modellen berücksichtigt wird. Weiters sollte durch Optimierung der beiden Siedemodelle eine 4

6 1. Einleitung 5 bessere Übereinstimmung mit den Messdaten erreicht werden. Einleitend werden in Kapitel 2. die Grundlagen der turbulenten Strömungen und des Wärmeübergangs in Kühlmittelströmungen erläutert. Daran knüpft in Abschnitt 3.3. die Untersuchung verschiedener Wandmodellierungskonzepte in der numerischen Simulation und in Abschnitt 3.4. die Optimierung der angesprochenen Siedemodelle.

7 4. Zusammenfassung Aus der Untersuchung der Wandmodellierungskonzepte ergibt sich, dass die Kombination von Two-Layer Modeling mit der Enhanced Wall Function eine sehr robuste Wandbehandlungsmethode ist. Verwendet man hingegen Standard Wall Functions in der numerischen Simulation, so muss im Hinblick auf die korrekte Berechnung des konvektiven Wärmeüberganganteils und der in das BDL-Siedemodell eingehenden Wandschubspannungsgeschwindigkeit, der dimensionslose Wandabstand y + in einem dafür vorgeschriebenen Bereich liegen. Zur Beschreibung von Strömungssieden in komplexen Kühlsystemen ist das BDL-Modell besser geeignet, da hier zur Berechnung lokale Zustände herangezogen werden und diese bei der komplizierten Geometrie eines Kühlmantels von Verbrennungsmotoren stark variieren. Das Chen/- Campbell-Modell verwendet zur Berücksichtigung der Siedeunterdrückung durch die Strömung nur eine globale Größe. Es fehlt daher bei diesem Modell der Bezug zu lokalen an der Heizfläche gegebenen Zuständen, die daher auch nicht erfasst werden. Abschließend kann man daher sagen, dass für die CFD-Simulation durch die Kombination der erweiterten Wandbehandlung (Enhanced Wall Treatment) mit dem optimierten BDL- oder Chen/Campbell-Siedemodell eine stark verbesserte Methode zur Berechnung des Wärmeübergangs bei Kühlmittelströmungen gefunden werden konnte. 105

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