STRAHLUNG ALS WESENTLICHER FAKTOR DER NUMERISCHEN SIMULATION VON FLUGZEUGKABINENINNENSTRRÖMUNGEN FÜR KOMFORTVORHERSAGEN

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1 DocumetID: STRAHLUNG ALS WESENTLICHER AKTOR DER NUMERISCHEN SIMULATION VON LUGZEUGKABINENINNENSTRRÖMUNGEN ÜR KOMORTVORHERSAGEN M. Kostatiov, M. Rütte, M. Lambert, C. Wager DLR Göttige, Istitut für Aerodyamik ud Strömugstechik, Busestrasse 1, 3773 Göttige Zusammefassug Diese Arbeit befasst sich mit der umerische Simulatio der gemischte thermische Kovektiosströmug i eier Do728 lugzeugkabie. Isbesodere wird der Zusammehag zwische der turbulete Luftströmug aus de Klimaauslässe ud der Wärmestrahlug aalysiert. Eier der wesetliche aktore bei der CD Berechug solcher Strömuge ist eie realistische Auswahl der Radbediguge. Die umerische Ergebisse für die lugzeugkabie Do728, die uter verschiedee Modellierugsasätze gewoe wurde, werde dargestellt. Die Berechuge wurde sowohl mit dem DLR eigee CD Code THETA als auch mit dem kommerzielle Code STAR-CD durchgeführt. Die CD Ergebisse werde experimetelle Ergebisse gegeübergestellt. 1. EINLEITUNG Der thermische Komfort vo assagiere ist ei wesetliches Etscheidugskriterium für die Ausgestaltug des Iterieurs vo lugzeugkabie. Die Vorhersage des thermische Komforts i der lugzeugkabie hägt vo verschiedee Wärmequelle ab. Besoders eigebaute Kommuikatios- ud Uterhaltugselektroik, solare Strahlug sowie die Leistugselektroik verschiedeer Steuerugskreise sid zu berücksichtige. Die lugpassagiere trage selbst eie maßgebliche Ateil a Wärme i die Kabie ei. Nebe de verschiedee Wärmequelle zeichet sich eie lugzeugkabie durch eie äußerst komplexe Kofiguratio aus, ferer überlager sich mehrere Strömugsphäomee, die zu eier istabile, gemischte thermische Kovektio führe. Die sich i der Kabie eistellede Strömug stellt de wesetliche aktor des thermische Komforts dar, daher ist eie komfortrelevate Strömugssteuerug das etscheidede Elemet zur Verbesserug des thermische Komforts. Experimete sid aufgrud des hohe kofigurative Aufwades sehr teuer, sie liefer jedoch wertvolle Iformatioe zur Verbesserug der verwedete Modelle i der umerische Simulatio ud diee der Validierug [1-2]. I diesem Zusammehag ist die Etwicklug euer Turbulezmodelle ud Wärmestrahlugsmodelle für zuehmed geauere ud realistische umerische Vorhersage erforderlich. Wie sich die Modellierug der Wärmestrahlug auf thermische Kovektio auswirkt, ist Gegestad dieser Arbeit. Daher werde im folgede Kapitel die Grudlage des verwedete Strahlugsmodells erläutert. Aschließed wird die zugrude liegede lugzeugkofiguratio vorgestellt. Auf die spezielle Aforderuge der CD Gittergeerierug wird eigegage, bevor eie Diskussio der umerische Simulatiosergebisse erfolgt. Die wesetliche Erketisse werde schließlich zusammegefasst. 2. WÄRMESTRAHLUNGSMODELL. DISCRETE TRANSER RADIATION METHOD (DTRM) I de hier vorgestellte umerische Simulatioe wird der Wärmetrasport durch Strahlug vo Oberfläche zu Oberfläche mittels der Discrete-Trasfer-Radiatio-Method (DTRM) modelliert. Sie basiert ählich wie die Radiatio- Simulatio-Mote-Carlo (RSMC) Methode [3] auf dem Trasfer vo uabhägige Eergiepartikel. Diese artikel werde vo jedem Oberflächepukt ausgesadt, aber im Gegesatz zur RSMC erfolgt die Aussedug ur i eier feste Azahl vorher festgelegter Richtuge. I eiem reprocessig-schritt werde die Radfläche des Berechugsgitters, die sich i diese Richtuge befide, gefude ud abgespeichert. Währed der Simulatio wird die Wärmestrahlugseergie direkt vo Oberfläche zu Oberfläche übertrage, ohe die Trajektorie der artikel durch das Berechugsgebiet verfolge zu müsse. Im DLR Code THETA ist die DTRM implemetiert, jedoch wird i dem obe geate reprocessig-schritt ei sehr effizieter Ray-Tracer Algorithmus [4] verwedet, der auf eier spezielle Elemet-to-Elemet-Liste basiert ud ohe Elemetsuche zur Trajektorieverfolgug auskommt. Damit lasse sich Austauschradfläche sehr effiziet bestimme. Da der DLR THETA Code eie Gebietszerlegugsasatz für parallele Berechuge verfolgt, wird die Liste der gespeicherte Radfläche derartig zerlegt, dass jeder rozessor eie Liste vo Radfläche erhält, die vo irgedeier Radfläche i seiem eigee Gebiet durch Strahlug erreicht werde köe. Währed der Simulatio wird der DTRM-Schritt lokal auf jedem Teilgebiet berechet, ud aschließed werde die Date i eiem Kommuikatiosschritt ausgetauscht, ur so lasse sich erformace-verluste vermeide. Im Schitt dauert ei Strahlugsschritt ur ei Viertel der Zeit, die für eie Iteratio der thermische Kovektiosströmug beötigt wird. Daher ka der DGLR 29 1

2 Strahlugsschritt i jeder eizele Iteratio durchgeführt werde. ür sehr große Berechugsgitter ka die Liste der durch Strahlug erreichbare läche, die währed der Simulatio gespeichert werde muss, sehr groß werde. Daher ist die Azahl der mögliche diskrete Richtuge, die die DTRM gewählt werde köe, eigeschräkt. Um de statistische ehler zu verriger, wird ei Glättugsalgorithmus auf die Strahlugseergieverteilug der Radfläche agewadt. Das vorgestellte Modell ermöglicht geaue ud glatte Strahlugswärmeflussverteiluge selbst für eie klei gewählte Azahl vo diskrete Richtuge. Die abgestrahlte Leistug pro läche eies so geate Graue Lambert-Strahlers ist dabei durch das Stefa- Boltzmasche Gesetz gegebe: E( T ) T (1). 4 Hier bezeichet de Emissiosgrad, T die Temperatur, ud W / m K die Stefa- Boltzma-Kostate. Die Strahlugsleistug die vo eier ifiitesimale Oberfläche da i eie Raumwikel d abgestrahlt wird, beschreibt das Lambertsche Kosiusgesetz: (2) dq I cos( ) dad, d si( ) dd. Der roportioalitätsfaktor I ist die Strahlugsitesität. Eie detaillierte Beschreibug der hysik der Wärmestrahlug fidet sich z.b. i [5]. ür jede (Wad-) Radfläche des Berechugsgebietes wird die vom Nutzer festgesetzte feste Azahl vo diskrete Richtuge folgedermaße berechet. Ausgehed vo äquidistat gewählte Wikelabstäde i i (3) i i R, R, i 1, i 1,, werde die Wikel i i i i (4) 2 R, arcos 1 R ud die Richtuge i (5), i i i i i d si cos,si si, cos d 1,, T der Abstrahlug eies gedachte Halbkugelstrahlers berechet. Die Richtugsverteilug erfüllt aufgrud der Wikelberechug (4) das Lamberts Kosiusgesetz (2). Diese Richtuge werde wie folgt d i, i, R d, d R d berechet. Aschließed werde Strahle i diese Richtuge gesedet ud durch das Berechugsgebiet verfolgt. Treffe sie auf eie Wadradfläche, wird dere Nummer i eier spezielle zur sedede Wadradfläche gehörede Zielwadflächeliste abgespeichert. Am Schluss besitzt jede Wadradfläche des Berechugsgebietes die obe erwähte Liste vo Zielwadfläche, die vo dieser Wadradfläche aus durch Strahlug erreicht werde köe. Es werde die Wadradfläche des Berechugsgebietes als Graue Lambertstrahler betrachtet, daher wird eie feste Azahl N vo artikel, die ach (1) die Eergie 4 T e trage, gesedet. er Zufallsauswahl N wird da eie Wadradfläche aus der Zielwadflächeliste ausgewählt ud die Eergie des artikels direkt zur empfagee Strahlugseergie dieser Wadradfläche addiert. Da jede Wadradfläche i der Liste vo Zielwadfläche vieler aderer Wadradfläche sei ka, wird die gesamte i eiem DTRM Schritt empfagee Eergie ( ) summiert. Da wird die E E E 1 Eergie absorbiert ud die Eergie reflektiert. Eie so geate Wadreflektiositeratio, wobei die übertragee Eergie pro Iteratio durch e 1 E N 1 1 (6) iter, E 1 E, N gegebe ist, wird durchgeführt um diese Wadreflektio zu simuliere. Die mit dem Strahlugsmodell berechete Wärmeflüsse werde somit als Quellterme auf de Rad eigebracht ud so i die Strömugsberechug itegriert. 3. CD - MODELL UND RANDBEDINGUNGEN Die umerische Berechuge wurde für ei Kabiesegmet der Do728 durchgeführt. Es wird ur eie assagiersitzreihe betrachtet. Das CD - Modell des Segmetes ist i Bild 1 dargestellt. BILD 1. CD - Modell eies Kabiesegmetes der Do728. ür eie möglichst realistische Modellierug der Eiströmradbediguge wurde die Austrittsrippe der Kabieluftauslässe (KLA) kofigurativ abgebildet (siehe Bild 2). ür die umerische Simulatio wurde ei hybrides CD - Gitter mit dem kommerzielle Netzgeerator Cetaur erzeugt. ür die Wadauflösug werde 5 rismeschichte erstellt. Das gesamte CD - Modell besteht aus ca. 7 Mio. Zelle ud ca. 2 Mio. Kote. Ei Schitt des CD - Modells sekrecht durch die assagiere ist i Bild 3 dargestellt. DGLR 29 2

3 Die trasiete CD Berechuge mit Wärmestrahlug ud Turbulezmodell k- SST wurde mit DLR rogramm THETA ud mit dem kommerzielle Kode STAR-CD durchgeführt. ür das berechete CD - Modell wurde ei Zeitschritt vo t = 1e-3 s gewählt. Wie scho dargestellt, wurde die Wärmestrahlug mit der DTRM (Discrete Trasfer Radiatio Method) berechet. Die Radbediguge für die Berechug wurde aufgrud der detaillierte experimetelle Utersuchuge ausgewählt [6]. Sie sid i die Tabelle 1 zusammegeführt. TAB 1. Liste der Radbediguge BILD 2. Geometrie des Kabieluftauslasses (KLA), hier itegriert im Kabieceilig: Detaildarstellug. Radbedigug Ilet a der Decke Vorgegebee Werte V =.44 m/s, T = 285 K Ilet am ester V =.87 m/s, T = 285 K Outlet = 1 bar Lichtbäde q= 75 W Seitewäde T = K, = 4.41 m²k/w Decke T = K, = 6.1 m²k/w ester T = 288 K, =.24 m²k/w Brust, Arme, Beie, Hüfte ud Schuhe q = 45 W BILD 3. Numerisches Netz: Schittdarstellug mit Iud Outlet Radbediguge. Mit Hilfe der rismeschichte wurde um die assagiere herum eie hohe Netzauflösug realisiert. Isbesodere etspricht die Wadauflösug de Aforderuge für eie Simulatio der thermische Kovektiosströmug. I Bild 4 ist ei Netzausschitt durch das CD Gitter dargestellt. Köpfe Sessel ud Bode q = W Adiabatic Hierbei bezeichet T die absolute Temperatur, de Wärmewiderstad, de Druck ud q de Wärmefluss. Die i der Simulatio gewählte Ilet-Radbediguge repräsetiere eie Lufttauschrate vo 23.5 Kabievolume/h. Die rischluftzufuhr wird über 4 Auslassfläche gleichmäßig verteilt. Die Eiströmtemperatur beträgt 285 K. Die Wärmeflusswerte a der Oberfläche der luggäste etspreche de Werte, die i eiem Experimet a speziell erstellte Dummies ermittelt wurde. 4. SIMULATIONSERGEBNISSE Die Temperaturverteilug i der Kabie wird i erster Liie durch das Geschwidigkeitsfeld der Eiströmug bestimmt. Gleichzeitig jedoch iitiiere starke Temperaturgradiete domiate kovektive Strömuge. Die Geschwidigkeitsverteilug der sich eistellede gemischte Kovektiosströmug im mittlere Schitt ist i Bild 5 dargestellt. BILD 4. Numerisches Netz: Netzauflösug a der Wad durch rismeschichte. DGLR 29 3

4 diese Bereiche beobachtet ma keie eeswerte Luftbewegug. Eie Iso-Oberfläche mit der Temperatur 17 C wird i Bild 7 dargestellt. Sie zeigt die Verbreitug der Kühlluft vo KLA über die assagiere. BILD 5. Geschwidigkeitsverteilug im mittlere Schitt der Do728 Kabie. Berechug mit Wärmestrahlug. I Bild 5 bestätigt sich, dass wege der geometrische Besoderheite der Kabie sich keie symmetrische Strömug eistelle ka. Im assagierbereich beobachtet ma zwei etgegedrehede domiate Wirbel, wobei etlag der Uterseite der Gepäckfächer die maximale Geschwidigkeitswerte auftrete. Hier spielt der sogeate Coada Effekt eie Rolle, der zur Umlekug des wikelig austretede rischluftstromes zum Gepäckfach führt. Die relativ hohe Geschwidigkeite fide sich auch im Gagbereich als olge der Wechselwirkug der zwei domiate Wirbel wieder. Die sich eistellede farbskalierte Temperaturverteilug wird i Bild 6 dargestellt. Die höchste Temperature über 6 C etstehe i Bereiche um die seitliche Lichtbäder. BILD 7. Verbreitug der Kühlluft i der Do728 (Iso- Oberfläche T=17 C). BILD 6. Temperaturverteilug im mittlere Schitt. Berechug mit Wärmestrahlug I Bild 6 ist deutlich zu sehe, dass keie Abkühlug i de Bereiche vo seitliche Lichtbäder stattfidet. Da die Kühlluft aus de KLA direkt i de zetrale Kabieraum geführt wird, fehlt ei ach auße gerichteter Kühlluftstrom. Dadurch wird die Luft im Bereich der seitliche äußere Lichtbäder stark aufgeheizt. Aufgrud der lokale Aufheizug der Luft, der thermische Kovektio ausgehed vo de assagiere ud der domiate Wirbelstrukture befide sich die beide seitliche Lichtbäder i eiem Strömugsablösebereich mit sehr gerige Geschwidigkeite. Zudem, etstehe hohe Temperaturwerte a ud zwische de assagiere, isbesodere uter de Armgeleke der assagiere. I BILD 8. Geschwidigkeitsverteilug im mittlere Schitt der Do728. Temperaturberechug ohe Wärmestrahlug. Es ist prizipiell möglich ud aus umerischer Sicht eifacher die Kabietemperatur ohe Wärmestrahlug zu bereche. I diesem all tritt aber ei roblem mit der Vorgabe der Radbediguge a assagiere auf. Es muss die gesamte Wärme über Kovektio ud Diffusio abgeführt werde. Damit wird bei eiem solchem Zugag eie stärkere kovektive Strömug auftrete. Zudem verstärkt sich die Wirkug vo heiße Radfläche wie z.b. de Lichtbäder auf die überströmede Luft. Dies zusamme verädert das Gesamtströmugsfeld i der Kabie (siehe Bild 8) sigifikat. Die weitere zwei Bilder zeige eie Vergleich der Temperaturverteilug a der Wad ud auf assagieroberfläche jeweils für die Berechuge ohe (Bild 9) ud mit Wärmestrahlug (Bild 1). DGLR 29 4

5 Am Istitut für Aerodyamik ud Strömugstechik des DLR Göttige fade i de letzte zwei Jahre die Versuche i der lugzeugkabie Do728 mit speziell etwickelte Dummies ud mit robade statt. I Bild 11 ist eie Thermographieaufahme der Oberflächetemperaturverteilug i der Kabie gezeigt. Auf diesem Bild wird der Testfall mit de Dummies präsetiert. BILD 9. Temperaturverteilug a der Wad bei der Temperaturberechug ohe Wärmestrahlug. BILD 11. Komfortutersuchug mit Thermodummies: Gemessee Temperaturverteilug i der Kabie Do728. Ei Vergleich zeigt, dass die umerische Ergebisse, die mit der Discrete Trasfer Radiatio Method erzielt wurde, qualitativ gut mit de i der Kabie gewoee Messergebisse übereistimme (vergleiche Bild 1). I beide älle zeigt sich, dass i der Do728 eie stärkere Strömug über die Gagsitze erfolgt. Dort ist die Oberflächetemperatur sowohl i der Simulatio als auch im Experimet deutlich geriger. Die Bereiche erhöhter Temperatur stimme recht gut überei ud zeige, dass dort weig Luftaustausch stattfidet. BILD 1. Temperaturverteilug a der Wad bei der Temperaturberechug mit Wärmestrahlugsmodell. Ei Vergleich der auf de Bilder 9 ud 1 dargestellte Temperatursigature zeigt, dass die Temperaturberechug ohe Strahlug a der Körperoberfläche der Mesche urealistisch hohe Temperature vo bis zu 49 C erzeugt. Es zeigt sich, dass bei der Berechug ohe Strahlug die Wärmeabgabe a der assagierkörperoberfläche icht realistisch modelliert werde ka. Alterativ wäre es möglich eie fixierte Temperatur a der Körperoberfläche des assagierdummies vorzugebe. Bei eier solche Vorgabe wird die Temperatur a de assagiere möglicherweise realistischer aussehe, trotzdem wird die kovektive Strömug ohe Wärmestrahlug zu eier ugeaue Temperaturverteilug i der Kabie führe. Eie Komfortvorhersage ist da ur och mit Eischräkuge möglich. ür eie realistische Abbildug der Wärmeverhältisse i eier lugzeugkabie sid physikalische Materialparameter wie Wärmeübergagskoeffiziete ud Wärmeleitfähigkeitkoeffiziete, als auch die Wärmestrahlugswerte, die Koeffiziete der Emissio, der Reflektio ud der Trasmissio vo sehr großer Bedeutug. Zudem, spielt die Bekleidug der assagiere eie wichtige Rolle im Gesamtprozess der Wärmeübertragug. Wie sich diese Uterschiede z.b. zwische Thermodummies ud Mesche auswirke, wird i Bild 12 dargestellt. BILD 12. Komfortutersuchug mit robade: Gemessee Temperaturverteilug i der Kabie Do728. DGLR 29 5

6 Die Temperaturverteilug i Bild 12 zeigt, dass auch die Art der Bekleidug bei de detaillierte CD- Berechuge berücksichtigt werde müsste, um eie geauere Vorhersage der Wärmeverhältisse i der Kabie zu erziele. Spezielle Radbediguge müsse dazu etwickelt werde. 5. ZUSAMMENASSUNG Aus de dargelegte Ergebisse lasse sich folgede Schlussfolgeruge ziehe: Die CD Berechuge mit Wärmestrahlugsmodell zeige eie gute Übereistimmug mit experimetelle Messuge. Die Temperaturberechuge der Kabieströmug ohe Strahlug sid weiger für eie Komfortaussage geeiget. Nur mit Hilfe eier qualitativ hochwertig modellierte umerische Strömugssimulatio eischließlich Wärmestrahlug ist ma i der Lage eie passagierbezogee Komfortaussage zu treffe. Der Zusammehag zwische der turbulete Strömug mit der thermische Kovektio ud der Wärmestrahlug ist sehr kompliziert ud hägt stark vo de Radbediguge ab. Deswege ist die Erstellug eier etsprechede Datebak mit de Wärmetrasportkoeffiziete ud Wärmeradbediguge für alle Materialie für die Berechug vo großer Bedeutug. Das Strömugsfeld i der Kabie ist im Wesetliche durch die Kofiguratio der KLA gekezeichet. Die Utersuchug des Eiflusses dieser häomee auf die Komfortaussage ist Gegestad laufeder Arbeite. Die dargestellte Studie hat gezeigt, dass die DTRM eie sehr effektive Modellierug der Wärmestrahlug erlaubt. Jedoch werde bisher ur glatte Oberfläche ageomme, haptische Eigeschafte sid bisher ausgeschlosse, obwohl sie die Abstrahlug stark veräder. Dies muss i verbesserte Modelle berücksichtigt werde. Dimesioal Meshes, America Istitute of Aeroautics ad Astroautics, 46th AIAA Aerospace Scieces Meetig ad Exhibit, Reo, Nevada, U.S.A.,[ ] AIAA Reo 472. [5] H.D. Baehr, K. Stepha, Wärme- ud Stoffübertragug, Spriger Verlag, Berli, Heidelberg, New York, 28. [6] G. Güter, J. Bosbach, J. eecot, C. Wager, T. Lerche, I. Gores, Experimetal ad umerical simulatio of idealized aircraft cabis flow, Aerospace Sciece ad Techology, Elsevier, 26. LITERATURVERZEICHNIS [1] M. Rütte, M. Kostatiov, C. Wager, Aalysis of Cabi Air Vetilatio i the Do728 Test acility Based o High-Resolutio Thermography, Deutscher Luftud Raumfahrtkogress 28. [2] J. Bosbach, M. Küh, M. Rütte, C. Wager, Mixed Covectio i a ull Scale Aircraft Cabi Mock-Up. ICAS th Iteratioal Cogress of the Aeroautical Scieces, Germay, 26. [3] W. J. Yag, H. Taiguchi, K. Kudo, Radiative Heat Trasfer by the Mote Carlo Method, Advaces i Heat-Trasfer (Vol 27), Academic ress [4] M. Widhalm, A. Rozheimer, J. Meyer, Lagragie article Trackig o Large Ustructured Three- DGLR 29 6