3D-Convection Zwischen Systemsimulation und CFD Vitja Schröder 25.03.2015 3D Innenraummodell 1
Vitja Schröder Ladestraße 2 38442 Wolfsburg, Germany Tel: ++49-(0)5362-938 28 84 schroeder@xrg-simulation.de > 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 25.03.2015 3D Innenraummodell 2
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) 25.03.2015 3D Innenraummodell 3
Inhalt 1. Motivation 2. 3D Convection Modell 3. Anwendungsbeispiele Flugzeugkabine PKW-Kabine 4. Zusammenfassung 25.03.2015 3D Innenraummodell 4
Motivation 25.03.2015 3D Innenraummodell 5
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 25.03.2015 3D Innenraummodell 6
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 25.03.2015 3D Innenraummodell 7
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 25.03.2015 3D Innenraummodell 8
3D Convection Modell 25.03.2015 3D Innenraummodell 9
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 25.03.2015 3D Innenraummodell 10
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 25.03.2015 3D Innenraummodell 11
3D Convection Modell Features Grundlagen Anwendungsbeispiel > Flow-Zelle zwischen Energiezellen Flow-Zelle Energie-Zelle > Berechnung des konvektiven Enthalpiestromes und der Wärmeleitung zwischen 2 Energiezellen 25.03.2015 3D Innenraummodell 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 > Navier-Stokes-basierte Impulsbilanz Strömung wird berechnet 25.03.2015 3D Innenraummodell 13
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 25.03.2015 3D Innenraummodell 14
Strahlungsmodell Features Grundlagen Anwendungsbeispiel > One Node: Strahlung nur nach Fläche gewichtet > Ray-Tracing: Sichtfaktoren werden vor der Simulation vorgegeben. 25.03.2015 3D Innenraummodell 15
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. 25.03.2015 3D Innenraummodell 16
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 25.03.2015 3D Innenraummodell 17
Anwendungsbeispiel Flugzeugkabine 25.03.2015 3D Innenraummodell 18
3D Convection Modell Features Grundlagen Anwendungsbeispiel 1. Flugzeug: Adiabat. Vergleich Star CCM+ / 3D-Kabinen-Modell 263911 Polyhedra Cells 480 Cubic Cells CFD Tool: Star CCM+ Modelica Kanbinenmodell 25.03.2015 3D Innenraummodell 19
3D Convection Modell Features Grundlagen Anwendungsbeispiel Temperaturverteilung Kabine CFD Tool: Star CCM+ Modelica Kabinenmodell 25.03.2015 3D Innenraummodell 20
3D Convection Modell Features Grundlagen Anwendungsbeispiel Temperaturprofil Gang 25.03.2015 3D Innenraummodell 21
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!) 25.03.2015 3D Innenraummodell 22
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. 25.03.2015 3D Innenraummodell 23
Anwendungsbeispiel PKW-Kabine 25.03.2015 3D Innenraummodell 24
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 25.03.2015 3D Innenraummodell 25 A
Aufbau des Gitters 25.03.2015 3D Innenraummodell 26
Dynamische Fahrzeugkabine Natürliche Konvektion > Abbilden der natürlichen Konvektion > Aufheizvorgänge in der Fahrzeugkabine > Temperaturschichtungen t = 29 min Hier mit konstanten Oberflächentemperaturen simuliert 25.03.2015 3D Innenraummodell 27
Dynamische Fahrzeugkabine Erzwungene Konvektion > Dynamische Pull-Down-Rechnung t = 34 min 25.03.2015 3D Innenraummodell 28
Zusammenfassung > 3D Strömungen z.b. in Fahrzeugkabinen oder Gebäuden können modelliert werden. > Direkte Integration in größere Systeme > Ein Innenraummodell für verschiedene Strömungssituationen 25.03.2015 3D Innenraummodell 29
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! M.Sc. H. Vitja K. Schröder Ladestraße 2 38442 Wolfsburg, Germany Tel: ++49-(0)5362-938 28 84 schroeder@xrg-simulation.de 25.03.2015 3D Innenraummodell 30
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 25.03.2015 3D Innenraummodell 31