Kanalentwicklung bei der IAVC

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1 Kanalentwicklung bei der IAVC Konstruktion, Berechnung, Versuch SAXON SIMULATION MEETING (TU Chemnitz) Dipl.-Ing. Wolfgang Berg Chemnitz, Innovationen in Serie

2 IAV Firmenprofil Überblick Gründungsjahr: 1983 Mitarbeiter 2008: 3850 Branche / Produkte Automotive-Engineering Forschung Vorentwicklung Serienentwicklung Geschäftsfelder Fahrzeug Antriebsstrang Automobilelektronik 2

3 IAV Firmenprofil Standorte Standort Chemnitz ca. 500 Mitarbeiter Motorenentwicklung Getriebeentwicklung Prüfstände Motorenbau Teilefertigung 3

4 Kanalentwicklungsprozess Übersicht Erstellung eines robusten vollparametrischen Kanalmodells (bis zu 10 variable, ansteuerbare Parameter Diese werden inkl. des zu betrachtenden Wertebereich, für den zu betrachtenden Anwendungsfall, vor Projektstart definiert / abgestimmt. Beachtung der Bauraum- und Schnittstellenrestriktionen) CFD-Strömungssimulation zur Stützstellenermittlung für DOE-Modell (Rechenläufe mit automatisierter Ansteuerung des CAD-Modells zur Generierung von Geometrievarianten, Anzahl der Rechenläufe abhängig von Anzahl der Geometrie-Parameter, z.b. 320 CFD- Rechnungen bei 10 variablen Geometrie-Parametern) Erstellung mathematisches Ersatzmodell (Anzahl der DOE-Terme abhängig von Anzahl der Geometrie-Parameter z.b. 286 DOE-Terme bei 10 variablen Geometrie-Parametern) Ermittlung Paretokurve Auswahl Zielkonfiguration / Zielkonfigurationen des Kanals hinsichtlich Durchfluß / Tumble mittels Ersatzmodell (Geometrieparamter zur Zielerreichung ablesbar) Anfertigung Flow-Box und Ergebnisvalidierung mittels DGV-Strömungsversuch Motorversuch 4

5 Kanalentwicklungsprozess Schritt 1 Erstellung eines robusten vollparametrischen Kanalmodells (bis zu 10 variable, ansteuerbare Parameter Diese werden inkl. des zu betrachtenden Wertebereich, für den zu betrachtenden Anwendungsfall, vor Projektstart definiert / abgestimmt. Beachtung der Bauraum- und Schnittstellenrestriktionen) CFD-Strömungssimulation zur Stützstellenermittlung für DOE-Modell (Rechenläufe mit automatisierter Ansteuerung des CAD-Modells zur Generierung von Geometrievarianten, Anzahl der Rechenläufe abhängig von Anzahl der Geometrie-Parameter, z.b. 320 CFD- Rechnungen bei 10 variablen Geometrie-Parametern) Erstellung mathematisches Ersatzmodell (Anzahl der DOE-Terme abhängig von Anzahl der Geometrie-Parameter z.b. 286 DOE-Terme bei 10 variablen Geometrie-Parametern) Ermittlung Paretokurve Auswahl Zielkonfiguration / Zielkonfigurationen des Kanals hinsichtlich Durchfluß / Tumble mittels Ersatzmodell (Geometrieparamter zur Zielerreichung ablesbar) Anfertigung Flow-Box und Ergebnisvalidierung mittels DGV-Strömungsversuch Motorversuch 5

6 Entwurfszeichnung parametrischer Kanal insgesamt 21 mögliche Parameter 6

7 Variationsparameter, Wertebereiche Versuchsplan als Familientabelle Zur Reduktion der Variationsparameter werden Zwickelwinkel, Zwickellängen und Zwickelkonturen zu 5 unterschiedlichen Zwickelformen zusammengefasst. 7

8 Veränderung der Flanschhöhe Querschnittsverlauf annähernd konstant Flanschhöhe obere Grenze Basis untere Grenze 60 8

9 Veränderung der Kanalhöhe am Sitzring Kanalverlauf vor Ventil, kein Einfluss auf Querschnittsverlauf untere Grenze 10 Kanalhöhe, Sitzring [mm] 15 Basis obere Grenze 30 9

10 Veränderung von Kanalwinkel, oben Einfluss auf Zwickelkontur und Querschnittsverlauf untere Grenze 0 Kanalwinkel, oben [ ] Basis obere Grenze 40 10

11 Veränderung von Kanalwinkel, unten Einfluss auf Zwickelkontur und Querschnittsverlauf untere Grenze 0 Kanalwinkel, oben [ ] 10 Basis obere Grenze 40 11

12 Veränderung von Einzug, unten Abrisskante an Kanalunterseite Basis 0 Einzug, unten [mm] obere Grenze 4 12

13 Veränderung des Einfallwinkels direkte Ventilanströmung Kanalwinkel, oben [ ] untere Grenze Basis obere Grenze

14 Veränderung der Zwickellage Verschieben der Kanalaufteilung untere Grenze 0,25 relative Zwickellage [-] Basis 0,35 0,45 0,55 obere Grenze 0,6 14

15 Veränderung des Zwickelradius direkte Ventilanströmung untere Grenze 1 Zwickelradius [mm] Basis 1,5 2 3 obere Grenze 4 15

16 Zwickelformen Zusammenfassung von Parametern über Beziehungen Zwickelradius [mm] Form 1 Form 2 Form 3 Form 4 Form 5 Basis spitz stumpf unten oben 16

17 Modellsteuerung Pro/Program und/oder Familientabelle oder manuelle Eingabe: Auszug aus Pro/Program Eingabe über Wertedatei aus aktuellem Verzeichnis: Kanalvarianten zur besseren Kontrolle in einer Familientabelle 17

18 Kanalentwicklungsprozess Schritt 2 Erstellung eines robusten vollparametrischen Kanalmodells (bis zu 10 variable, ansteuerbare Parameter Diese werden inkl. des zu betrachtenden Wertebereich, für den zu betrachtenden Anwendungsfall, vor Projektstart definiert / abgestimmt. Beachtung der Bauraum- und Schnittstellenrestriktionen) CFD-Strömungssimulation zur Stützstellenermittlung für DOE-Modell (Rechenläufe mit automatisierter Ansteuerung des CAD-Modells zur Generierung von Geometrievarianten, Anzahl der Rechenläufe abhängig von Anzahl der Geometrie-Parameter, z.b. 320 CFD- Rechnungen bei 10 variablen Geometrie-Parametern) Erstellung mathematisches Ersatzmodell (Anzahl der DOE-Terme abhängig von Anzahl der Geometrie-Parameter z.b. 286 DOE-Terme bei 10 variablen Geometrie-Parametern) Ermittlung Paretokurve Auswahl Zielkonfiguration / Zielkonfigurationen des Kanals hinsichtlich Durchfluß / Tumble mittels Ersatzmodell (Geometrieparamter zur Zielerreichung ablesbar) Anfertigung Flow-Box und Ergebnisvalidierung mittels DGV-Strömungsversuch Motorversuch 18

19 Berechnungsmodell Ablauf automatische Modellgenerierung Volumenvernetzung in StarCCM+: Import des NASTRAN-Oberflächennetzes in eine bestehende StarCCM+ Template-Datei Netzparameter und Zuordnung der Randbedingungen sind bereits in Template enthalten Steuerung der StarCCM+ - Vernetzung über Java- Macro Export des Volumennetzes als CCM-Format 19

20 Berechnungsmodell Exemplarisches Ausgangsnetz für α K Zahl und Tumble- Bestimmung 2.5 x Bohrung 9 Basiszellgröße=4mm erste Netzadaption (Übergang Einlaufgeom. in Kanal)=2mm zweite Netzadaption (Kanal+Zyl)=1mm dritte Netzadaption (Ventilspalt)=0.5mm 10 Randschichten, Randschichthöhe über Wand=1.2mm ca Mio Zellen 20

21 Berechnungsmodell Auswertung von α K und Tumble Durchflussbeiwert: m & real α K = = m& theor A K p Umg 2 RT m& real κ p κ 1 p Syst Umg 2 κ p p Syst Umg κ + 1 κ in Anlehnung an DGV Messung Auswertung der Tumblezahl auf Schnittebenenen Volumentumblezahl ergibt sich aus Summe der Einzeltumblezahlen normiert auf Anzahl der Schnittebenen y x Volumentumblezahl: z T Vol n T u, i i= = 1 n mit T u = r zyl 2 M x + M 2 ρ V& 2 y p Umg/Syst Umgebungs- /Systemdruck n Anzahl Schnittebenen r zyl Zylinderradius M x,y Moment um x,y Achse m real/theo theo./tats. ermittelter Massenstrom A K Kolbenfläche 21

22 Kanalentwicklungsprozess Schritt 3 Erstellung eines robusten vollparametrischen Kanalmodells (bis zu 10 variable, ansteuerbare Parameter Diese werden inkl. des zu betrachtenden Wertebereich, für den zu betrachtenden Anwendungsfall, vor Projektstart definiert / abgestimmt. Beachtung der Bauraum- und Schnittstellenrestriktionen) CFD-Strömungssimulation zur Stützstellenermittlung für DOE-Modell (Rechenläufe mit automatisierter Ansteuerung des CAD-Modells zur Generierung von Geometrievarianten, Anzahl der Rechenläufe abhängig von Anzahl der Geometrie-Parameter, z.b. 320 CFD- Rechnungen bei 10 variablen Geometrie-Parametern) Erstellung mathematisches Ersatzmodell (Anzahl der DOE-Terme abhängig von Anzahl der Geometrie-Parameter z.b. 286 DOE-Terme bei 10 variablen Geometrie-Parametern) Ermittlung Paretokurve Auswahl Zielkonfiguration / Zielkonfigurationen des Kanals hinsichtlich Durchfluß / Tumble mittels Ersatzmodell (Geometrieparamter zur Zielerreichung ablesbar) Anfertigung Flow-Box und Ergebnisvalidierung mittels DGV-Strömungsversuch Motorversuch 22

23 mathematisches Ersatzmodell Übersicht Ersatzmodellgestützte Algorithmen Versuchsplan Optimierungsprozess * CFD- Simulation α K, Tumble Initialisierung Konstruktion eines Modells Modelltraining Berechnung der Zielfunktionswerte Selektion *Kux, Steffen; Parsche, Uwe: Effektive Optimierungverfahren im Auslegungsprozess für Kettentriebe, MTZ 01/2009 S.58ff 23

24 Optimierung mit mathematischem Ersatzmodell Ergebnisse deutliche Ausbildung der Paretofront CFD- Varianten des Versuchsplanes befinden sich bereits sehr nahe an Paretofront Parameterbereich für Optimierer hinreichend gut gewählt Tumble PARETO-Menge (50 Kompromisse) Ausgangsvarianten Optimierungsvarianten Durchflusszahl 24

25 Geometrieänderungen an der Paretofront Basis opti_001 opti_025 opti_050 max. Tumble min. α K mittl. Tumble mittl. α K min. Tumble max. α K Tumble PARETO-Menge (50 Kompromisse) Auswahl der Flowboxvarianten Ausgangsvarianten Optimierungsvarianten Durchflusszahl 25

26 Kanalentwicklungsprozess Schritt 4 Erstellung eines robusten vollparametrischen Kanalmodells (bis zu 10 variable, ansteuerbare Parameter Diese werden inkl. des zu betrachtenden Wertebereich, für den zu betrachtenden Anwendungsfall, vor Projektstart definiert / abgestimmt. Beachtung der Bauraum- und Schnittstellenrestriktionen) CFD-Strömungssimulation zur Stützstellenermittlung für DOE-Modell (Rechenläufe mit automatisierter Ansteuerung des CAD-Modells zur Generierung von Geometrievarianten, Anzahl der Rechenläufe abhängig von Anzahl der Geometrie-Parameter, z.b. 320 CFD- Rechnungen bei 10 variablen Geometrie-Parametern) Erstellung mathematisches Ersatzmodell (Anzahl der DOE-Terme abhängig von Anzahl der Geometrie-Parameter z.b. 286 DOE-Terme bei 10 variablen Geometrie-Parametern) Ermittlung Paretokurve Auswahl Zielkonfiguration / Zielkonfigurationen des Kanals hinsichtlich Durchfluß / Tumble mittels Ersatzmodell (Geometrieparamter zur Zielerreichung ablesbar) Anfertigung Flow-Box und Ergebnisvalidierung mittels DGV-Strömungsversuch Motorversuch 26

27 Strömungsversuche DGV Prüfstand Modellierung der Strömungseinlaufgeometrie für bessere Validierung mit DGV und realistischere Strömungsbedingung am Kanaleintritt DGV- Prüfstand Einströmgeometrie CFD- Modell Kanaleintritt 27

28 Prüfstandsaufbau DGV-Messungen Nachmodellierter Bereich für CFD- Detailanalyse d zyl nach 100mm Entfernung vom ZK d = 95 28

29 Abgleich des Berechnungsmodelles mit dem Prüfstand Modellierung Prüfstandsnaher Aufbau Modell / Randbedingung Eingang: p= 0mbar verwendete physikalische Modelle: Turbulenz: k-ε Standard, Low-Reynolds turbulente Wandbehandlung: Hybrid-Modell (y + - adaptierte Grenzschichtberechnung ) thermische Wandbehandlung: adiabat Ansicht J J Ausgang: p= -50mbar Überströmbohrungen 29

30 Vielen Dank Dipl.-Ing. Wolfgang Berg IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr Kauffahrtei 25, Chemnitz Telefon: Innovationen in Serie