3D-Convection Zwischen Systemsimulation und CFD

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1 3D-Convection Zwischen Systemsimulation und CFD Vitja Schröder D Innenraummodell 1

2 Vitja Schröder Ladestraße Wolfsburg, Germany Tel: ++49-(0) > B. Sc. Maschinenbau (Energietechnik) > M.Sc. Energietechnik o Projektarbeit: Modellierung von generischen Energiespeichern mittels Zustandsautomaten in Modelica o Masterarbeit: Analyse transienter Kopplungseffekte zwischen Kraftwerk und Post-Combustion CO2 Abtrennung > Seit August 2014 angestellt bei XRG D Innenraummodell 2

3 XRG Simulation GmbH Gegründet 2005 Spezialist für energietechnische Systemsimulation und Simulationsprodukte Ausgewählte Referenzen Automobil: Volkswagen, Audi, Daimler, BMW Luftfahrt: Airbus Operations GmbH Kraftwerk: Eon, Vattenfall Gebäudetechnik: Mitsubishi Electric Standorte Bremen Böblingen (Stuttgart) Hamburg (Zentrale) Wolfsburg Ingolstadt München (LTX) D Innenraummodell 3

4 Inhalt 1. Motivation 2. 3D Convection Modell 3. Anwendungsbeispiele Flugzeugkabine PKW-Kabine 4. Zusammenfassung D Innenraummodell 4

5 Motivation D Innenraummodell 5

6 Modellierung mit Human Comfort 1D-Ansatz 2 Volumen > 2- oder 1-Volumenansatz zur energetischen Bewertung von Klima- und Heizprozessen > Luftströmung zwischen Volumen durch Druckverluste aus CFD eingestellt > detaillierte Betrachtung des Luftraums nicht möglich (Mittelung über gesamte Kabine). > Direkte Integration in dynamisches Systemodell (z.b.wandmodell mit HumanComfort Library ) > CPU-Zeit: Sekunden/Minuten D Innenraummodell 6

7 Modellierung mit CFD 3D-Ansatz: ~10^6 Volumen Computational Fluid Dynamics > CFD berechnet physikalisch Strömungsverhältnisse in der Kabine > Temperaturverteilung > Hohe räumliche Auflösung : (Auflösung: mm-cm). > Indirekte Kopplung an dynamische Systemmodelle durch Kopplung > CPU-Zeit: Stunden / Tage D Innenraummodell 7

8 Motivation für 3D-Convection 1D-Ansatz: 3D-Kabinenmodell 3D- CFD + energetische Bewertung - Strömung angepasst + direkte Integration in Systemmodell - keine räumliche Information + CPU: s min + energet. Bewertung & Temperaturprofil + Strömung errechnet + direkte Integration in Systemmodell ± grobe räumliche Information (cm dm) ± CPU: min h + Temperaturprofil + Strömung errechnet - nur indirekte Kopplung an Systemmodell + detaillierte räumliche Information (mm cm) - CPU: h d D Innenraummodell 8

9 3D Convection Modell D Innenraummodell 9

10 3D Convection Modell Features Grundlagen Anwendungsbeispiel > Modelica > räumlich aufgelöste T, c, p (cm dm) > frei platzierbare Festkörper- / Luftzellen 3D-Convection -Modell > dynamisch berechnete Oberflächentemperaturen > thermische Strahlung (inkl. Verschattung) > wählbare Randbedingungen (T, symm., period.) > frei platzierbare Quellen für Wärme, Massenstrom, Strahlung D Innenraummodell 10

11 3D Convection Modell Features Grundlagen Anwendungsbeispiel > finite Volumen-Diskretisierung mit kubischen Zellen > dynamische Variable (Zustand) entspricht Erhaltungsgröße lokalisiert im Zellmittelpunkt > Energiezellen mit Energie- und Massenbilanz D Innenraummodell 11

12 3D Convection Modell Features Grundlagen Anwendungsbeispiel > Flow-Zelle zwischen Energiezellen Flow-Zelle Energie-Zelle > Berechnung des konvektiven Enthalpiestromes und der Wärmeleitung zwischen 2 Energiezellen D Innenraummodell 12

13 3D Convection Modell Features Grundlagen Anwendungsbeispiel > Flow-Zelle zwischen Energiezellen Flow-Zelle Energie-Zelle > Berechnung des konvektiven Enthalpiestromes und der Wärmeleitung zwischen 2 Energiezellen > Navier-Stokes-basierte Impulsbilanz Strömung wird berechnet D Innenraummodell 13

14 3D Convection Modell Features Grundlagen Anwendungsbeispiel > Energie- und Flow-Zellen in 3- dimensionalem versetztem kubischen Gitter. > Energie-Zelle mit Massen- und Energiebilanz: Festkörper oder Luft > Flow-Zelle (UCell, VCell, WCell) Impulsbilanz, Wärmestrom, thermische Strahlung: air-air, solid-air, solid-solid > Adapter-Zellen Boundary Conditions extern, adiabat, symmetrisch, periodisch D Innenraummodell 14

15 Strahlungsmodell Features Grundlagen Anwendungsbeispiel > One Node: Strahlung nur nach Fläche gewichtet > Ray-Tracing: Sichtfaktoren werden vor der Simulation vorgegeben D Innenraummodell 15

16 Aufbau des Gitters Features Grundlagen Anwendungsbeispiel > Aufbau des Gitters über eine 3D-Matrix mit spezifischen Einträgen für Fluid- und Solid- Zellen sowie Randbedingungen und Oberflächen > Das Gleichungssystem bzw. Das Staggered-Grid wird beim compilieren erstellt D Innenraummodell 16

17 Anwendung in Modelica Kopplung zu anderen Modelica Bibliotheken > Verwendung der selben Medienmodelle > Adapter definieren Ein- und Auslassposition für standard Fluidports > Thermische Kopplung der Oberflächen über standard HeatPorts 3D-Convection -Modell Adapter Heatport Zuweisung der Fläche 1001 Adapter Flowport Zuweisung der Position über Cellenkoordinate und Zellenfläche D Innenraummodell 17

18 Anwendungsbeispiel Flugzeugkabine D Innenraummodell 18

19 3D Convection Modell Features Grundlagen Anwendungsbeispiel 1. Flugzeug: Adiabat. Vergleich Star CCM+ / 3D-Kabinen-Modell Polyhedra Cells 480 Cubic Cells CFD Tool: Star CCM+ Modelica Kanbinenmodell D Innenraummodell 19

20 3D Convection Modell Features Grundlagen Anwendungsbeispiel Temperaturverteilung Kabine CFD Tool: Star CCM+ Modelica Kabinenmodell D Innenraummodell 20

21 3D Convection Modell Features Grundlagen Anwendungsbeispiel Temperaturprofil Gang D Innenraummodell 21

22 3D Convection Modell Features Grundlagen Anwendungsbeispiel 2. Flugzeug: Querschnittsmodell in Dynamischem Flugszenario > Lufttemp. im Kopf-/ Fußbereich für Komfortanalyse > dynamisches Querschnittsmodell zur dynamischen Untersuchung der Systemperformace > realistische Sensoren (Kabineneinnenraum /- auslaß) > wenige Randbedingungen nötig (alle Luft-/Oberflächentemperature dynamisch berechnet!) D Innenraummodell 22

23 3D Convection Modell Features Grundlagen Anwendungsbeispiel 2. Flugzeug: Dynamisches Flugszenario: Sprung der Kabineneinlaßtemperatur während des Fluges Mittlere Temperaturabweichung: 0.44 C Vergleich Simulation und ATRA Testflug - Meßdaten D Innenraummodell 23

24 Anwendungsbeispiel PKW-Kabine D Innenraummodell 24

25 Dynamische Fahrzeugkabine Aufbau des Kabinenmodells > Symmetrie in der Längsachse > 569 Fluid-Zellen > Variable Zellengröße (Kleiner Zellen im Kopfberiech) > Unterteilung der Randbedingungen in 13 Oberflächen A - A A D Innenraummodell 25 A

26 Aufbau des Gitters D Innenraummodell 26

27 Dynamische Fahrzeugkabine Natürliche Konvektion > Abbilden der natürlichen Konvektion > Aufheizvorgänge in der Fahrzeugkabine > Temperaturschichtungen t = 29 min Hier mit konstanten Oberflächentemperaturen simuliert D Innenraummodell 27

28 Dynamische Fahrzeugkabine Erzwungene Konvektion > Dynamische Pull-Down-Rechnung t = 34 min D Innenraummodell 28

29 Zusammenfassung > 3D Strömungen z.b. in Fahrzeugkabinen oder Gebäuden können modelliert werden. > Direkte Integration in größere Systeme > Ein Innenraummodell für verschiedene Strömungssituationen D Innenraummodell 29

30 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! M.Sc. H. Vitja K. Schröder Ladestraße Wolfsburg, Germany Tel: ++49-(0) D Innenraummodell 30

31 3D Convection Modell Features Grundlagen Anwendungsbeispiel > Flow-Zelle zwischen Energiezellen Flow-Zelle Energie-Zelle > Berechnung des konvektiven Enthalpiestromes und der Wärmeleitung zwischen 2 Energiezellen > thermische Strahlung an solid-air- Granzflächen, geometrische Sichtfaktoren D Innenraummodell 31