Ölverteilung im Getriebe Netzlose CFD bietet Potenzial

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1 Ölverteilung im Getriebe Netzlose CFD bietet Potenzial Vortragender: Dr. Christof Rachor, MSC Software 26. Januar Simulationsforum Nord

2 MSC Software und NEXT LIMIT TECHNOLOGIES Partnerschaft seit Juli 2011 Idee: Voll Gekoppelt FEM MKS CFD - Dynamisch transient - Lattice-Boltzmann - Netzlos

3 Standard CFD RANS, Netzbasiert Wo sind die Schwierigkeiten? a) Die Ergebnisqualität hängt direkt von der Netzqualität ab a) Die Vernetzungsqualität hängt sehr stark von der Leistungsfähigkeit des Vernetzertools und der Anwendererfahrung ab a) Bereits bei der Vernetzung muss das Wissen über die Lage interessanter Regionen vorliegen (um feiner zu vernetzen) b) Numerische Parameter müssen definiert werden, die nicht aus der physikalischen Geometrie ableitbar sind -> Iteration zur Parameterfindung c) Komplexe Geometrien benötigen Tage/Wochen zur Modellierung. Oft dauert die Modellierung länger als die Berechnung d) Dynamisch transiente Vorgänge mit frei beweglichen Körpern sind äusserst schwer darstellbar

4 Innovative CFD LBM, Netzlos Wo sind die Vorteile, speziell bei XFlow? Lattice-Boltzmann a) Kein nutzerdefiniertes Netz nötig, der Modellierungsaufwand reduziert sich auf Minuten/Stunden! a) Numerische Parameter sind nicht nötig. Alle Eingaben sind durch die Geometrien und Bewegungen der verwendeten Bauteile bestimmt b) Benötigte CFD-Erfahrung des Anwenders ist gering, da nur der physikalische Prozess abgebildet wird XFlow: a) Durch die schnelle Prozesskette sind Modellvarianten effektiv zu erstellen und zu berechnen b) Dynamisch transienter Ansatz, der automatisch frei bewegte Körper inklusive Kollisionen erlaubt c) Adaptive Verfeinerung der Auflösung bei Auftritt von Turbulenzen

5 Was ist LBM (Lattice-Boltzmann-Method)? in kurzen Worten Netzbasiert Partikelbasiert (Netzlos) Molekular Mesoskopisch (Zwischengröße) Makroskopisch Finite Volumen Finite Elemente Direkte Simulation Monte-Carlo Lattice- Boltzmann (Small Particle Hydrodynamics =) SPH Navier-Stokes Boltzmann Navier-Stokes Boltzmann Eq. Navier- Stokes Eq. Euler Eq.

6 Wo kommen die Stärken von XFlow zur Geltung? Anwendungsfälle XFlow und die netzlose Lattice-Boltzmann Methode sind besonders stark, wenn a) der Prozess hochdynamisch ist b) viele Körper sich definiert oder frei bewegen c) unklar ist, wo Turbulenzen zu erwarten sind d) der Anwender ein Designproblem und kein Numerikproblem lösen möchte e) nur komplexe, detaillierte CAD-Modelle vorliegen

7 Wo kommen die Stärken von XFlow zur Geltung? Anwendungsfälle

8 Wo kommen die Stärken von XFlow zur Geltung? Anwendungsfälle

9 Wo kommen die Stärken von XFlow zur Geltung? Anwendungsfall Getriebe Anwendungsfall Getriebe Ist-Zustand: a) Bislang kein Ölfluss realistisch darstellbar aufgrund der komplexen und bewegten Geometrien b) Modellvorbereitungszeiten und Rechenzeiten sind enorm Idee: a) Netzlose Technik in transientem Umfeld Erwartete Schwierigkeiten: a) Rechenzeit b) Numerische Instabilität c) Abgleich mit der Realität

10 Prinzipuntersuchungen Anwendungsfall Getriebe Zahneingriff / Zahnlücken Aufbau Getriebe Treibendes Rad: Konstante Drehzahl Getriebenes Rad: Mittels Kontakt gedreht Ziel: Prüfung der Machbarkeit bezüglich Fluss durch den Zahneingriff Ergebnis: Machbarkeit gewährleistet Auflösung der LBM-Zellen muss fein sein

11 Prinzipuntersuchungen Anwendungsfall Getriebe Zahneingriff / Zahnlücken Aufbau Getriebe Treibendes Rad: Konstante Drehzahl Getriebenes Rad: Mittels Kontakt gedreht Ziel: Prüfung der Machbarkeit bezüglich Fluss durch den Zahneingriff Ergebnis: Machbarkeit gewährleistet Auflösung der LBM-Zellen muss fein sein

12 Prinzipuntersuchungen Anwendungsfall Getriebe Zahneingriff / Zahnlücken Aufbau Getriebe Treibendes Rad: Konstante Drehzahl Getriebenes Rad: Mittels Kontakt gedreht Ziel: Einfluss der Viskosität Ergebnis: Viskosität verändert deutlich das Fließverhalten

13 Prinzipuntersuchungen Anwendungsfall Getriebe Multiple Beschleunigung Aufbau Getriebe Alle Räder: Konstante Drehzahl Ziel: Prüfung der Bewältigung unvorhergesehener Ereignisse Ergebnis: Machbarkeit gewährleistet Auflösung der LBM-Zellen muss fein oder adaptiv sein

14 Prinzipuntersuchungen Anwendungsfall Getriebe Multiple Beschleunigung Aufbau Getriebe Alle Räder: Konstante Drehzahl Ziel: Prüfung der Bewältigung unvorhergesehener Ereignisse Ergebnis: Machbarkeit gewährleistet Auflösung der LBM-Zellen muss fein oder adaptiv sein

15 Prinzipuntersuchungen Anwendungsfall Getriebe Schocklast Aufbau Getriebe Alle Räder: Konstante Drehzahl Ziel: Prüfung der Bewältigung von Schocklasten und Erkennen von Materialunterschieden Ergebnis: Machbarkeit gewährleistet Dyn. Vis.: 0.05 Pas

16 Prinzipuntersuchungen Anwendungsfall Getriebe Schocklast Aufbau Getriebe Alle Räder: Konstante Drehzahl Ziel: Prüfung der Bewältigung von Schocklasten und Erkennen von Materialunterschieden Ergebnis: Machbarkeit gewährleistet Dyn. Vis.: 0.01 Pas

17 Prinzipuntersuchungen Anwendungsfall Getriebe Schocklast Ergebnis: Machbarkeit gewährleistet Fluid wird unterschiedlich beschleunigt Aufprallkraft auf Gehäuse hängt von Viskosität ab

18 Prinzipuntersuchungen Anwendungsfall Zahnradpumpe Aufbau Radpaarung Alle Räder: Konstante Drehzahl Ziel: Realistisches Strömungsverhalten gegenüber Tests Ergebnis: Ergebnisse bereits nach Schnellschuss gut, wenn adaptives Netz benutzt wird.

19 Zusammenfassung Anwendungsfall Getriebe Einsatz von LBM und XFlow: a) Netzloser Ansatz und LBM sind ohne Einschränkung nutzbar b) Dynamisch transiente Effekte und Bewegungen sind ohne Einschränkungen nutzbar c) XFlow erlaubt eine Modellierung für die gezeigten Beispiele innerhalb von Minuten, falls per CAD die Geometrien vorliegen. d) Die Qualität der Ergebnisse hängt von der Auflösung der Zellen ab. Deren Menge und die Menge der möglichen Kontaktpaarungen definiert die Rechenzeit. e) Die gezeigten Beispiel benötigten im Schnitt 3 Std auf 4CPUs/8Cores -> Kann stark variieren!

20 Ausblick Weiterentwicklung XFlow und MSC a) Einlesen und Nutzen vorhandener Adams-Ergebnisse möglich -> Mechanik bestimmt Verhalten der Strömung b) Wechselseitige Interaktion CFD-MKS (rigid bodies) in Bearbeitung c) Im Anschluss: Kopplung zu MKS (flexible bodies) d) Im Anschluss: Kopplung zu FEM

21 Danke für die Aufmerksamkeit!

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