Numerische Untersuchung der Ölströmung in einem generischen Getriebe. Vortragender: Armin Pramhas

Transkript

1 Numerische Untersuchung der Ölströmung in einem generischen Getriebe Vortragender: Armin Pramhas

2 Übersicht 1. Motivation 2. Experimentelle Untersuchungen 3. Erstellung des CFD-Modells 4. Ergebnisse 5. Schlussfolgerungen Seite 2

3 Motivation Begleitender Einsatz von CFD bei Getriebeentwicklungen bietet: o detaillierte Analyse der Ölverteilung o Abschätzung der Planschverluste o Werkzeug zur Entwicklung effizienter Getriebearchitekturen Herausforderungen: o bewegte Komponenten o geringe Spaltbreiten o mehrphasige Strömung effiziente Modellierung gesucht Untersuchungen basieren auf generischem Getriebe Validierung sämtlicher Berechnungen am Prüfstand Seite 3

4 Experimentelle Untersuchungen

5 Experimentelle Untersuchungen Qualitative Validierung: Highspeed Aufnahmen Quantitative Validierung: Messung der Ölmassenströme an vordefinierten Querschnitten im Gehäuse Messung der Schleppmomente bei befülltem sowie bei leerem Getriebe Differenz stellt näherungsweise die Planschverluste im Getriebe dar Prüfstandsmessungen werden unter Variation der Getriebedrehzahl, Drehrichtung sowie der Ölfüllmenge durchgeführt. Seite 5

6 Schleppmoment [Nm] Drehmoment [Nm] Drehzahl [min -1 ] Ergebnisse: Schleppmomente Drehzahlverlauf Messung 1 Messung 2 Messung 3 2,5 Drehzahlabhängigkeit der Schleppmomente bei verschiedenen Ölfüllhöhen h0 h1 Zeit [s] 1,5 h2 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 Drehmomentverlauf Messung 1 Messung 2 Messung 3 1 0, ,1 Drehzahl [min -1 ] 0, Zeit [s] Seite 6

7 Ölmasse [g] Ergebnisse: Ölstrommessungen Ausgetretene Ölmasse an Stelle 7 Messung 1 Messung 2 Messung Zeit [s] Seite 7

8 Erstellung CFD Modell

9 Geometrieaufbereitung Geometrieanpassungen in CATIA Aufbereitung für CFD Simulation in ANSA Modellierungskonzept muss im Zuge der Geometrieaufbereitung bereits berücksichtigt werden Seite 9

10 Geometrieaufbereitung Druckauslass Wand bewegte Wand Overset-Mesh-Interface Wand Wand Background Gebiet Gesamt Overset Gebiete Seite 10

11 Netzerstellung Zellkantenlänge Background: 2 mm Lokale Verfeinerung im Bereich der Overset-Regionen Gesamtzellanzahl: ca. 4.8 Mio. Overset-Interfaces Overset 1 Background Overset 2 Background Overset 3 Background Overset 1 Overset 2 Overset 2 Overset 3 Overset 2 Overset 3 Seite 11

12 Netz nach Overset-Interface Initialisierung 6 Wand-Randschichten Zahnräder nicht skaliert min. Zahnspalt: ~0.1 mm Seite 12

13 Physikalisches Modell Euler Zweiphasenmodell: Volume of Fluid (VOF) o 1. Phase: Öl (Stoffdaten entsprechend der gemessenen Temperaturen des jeweiligen Versuchs) o 2. Phase: Luft Schwerkraft Turbulenzmodell: Realizable k-ε mit All-y+ Wandbehandlung Solver Einstellungen: Implicit Unsteady (Zeitschrittweiten-Vorgabe entsprechend Drehzahl) Repartitioning mit Load Balancing: per Region, alle 10 Zeitschritte Innere Iterationen: Adaptiv mit Mass-Imbalance-Kriterium Seite 13

14 Ergebnisse

15 Ergebnisse- Ölstrombild 200 min -1, Linkslauf Umdrehungen Antriebswelle: 12, Rechenzeit: 4.6 Tage (32 CPUs) für 5s physikalische Zeit Seite 15

16 Ergebnisse- Ölstrombild 200 min -1, Rechtslauf Umdrehungen Antriebswelle: 2.2, Rechenzeit: 1 Tag (32 CPUs) für 2s physikalische Zeit Seite 16

17 Ergebnisse- Ölstrombild 200 min -1, Rechtslauf Simulation High-Speed Aufnahme Seite 17

18 Ergebnisse- Ölstrombild 200 min -1, Rechtslauf Umdrehungen Antriebswelle: 15, Rechenzeit: 6.1 Tage (32 CPUs) für 6s physikalische Zeit Seite 18

19 Ergebnisse - Drehmoment (Rechtslauf) Gründe für Abweichung Ölschaumbildung Verzahnungsspalt Seite 19

20 Einfluss der Zahnspaltbreite

21 Einfluss der Spaltbreite Durch Skalierung (Schrumpfung) der Zahnräder wird ein Spalt von etwa 0.8 mm erreicht Ermöglicht gröbere Vernetzung o Reduktion der Zellanzahl von 4.8 Mio. auf 1.9 Mio. o Halbierung der Rechenzeit Untersuchung basiert auf dem Fall mit 200 min -1 und Rechtslauf Seite 21

22 Einfluss der Spaltbreite Großer Einfluss der Spaltbreite auf Massenströme im Nahbereich des Zahneingriffes Seite 22

23 Einfluss der Spaltbreite Großer Einfluss der Spaltbreite auf Planschverluste Seite 23

24 Schlussfolgerungen Bewertung der Anwendbarkeit von Overset-Mesh zur Simulation von Ölströmungen in Getrieben: + sehr gute Übereinstimmung mit experimentellen Daten + Ergebnisqualität besser als mit MRF-Ansatz + deutliche Rechenzeitvorteile gegenüber Remeshing - hoher Modellbildungsaufwand (qualitativ hochwertiges Netz) - hoher Zeitaufwand um stabiles Setup zu finden - Masseerhaltung erfordert geringe Zeitschrittweiten - rechenzeitaufwändiger als alternative Methoden wie z.b. SPH - derzeit auf automotive Problemstellungen eingeschränkt anwendbar Seite 24