Studie zur 1D/3D-Kopplung von Systemsimulationsmodellen und Feldsimulationsmodellen

Studie zur 1D/3D Kopplung von Systemsimulationsmodellen und

Feldsimulationsmodellen

Die Nachfrage bei Airlines nach individuell gestalteten Kabinenlayouts ist in den letzten Jahren signifikant gestiegen. Da eine Veränderung des Kabinenlayouts in vielen Fällen einer Anpas- sung der Luftführung und der Klimaregelung bedarf, ist es die Aufgabe eines Flugzeugherstel- lers zu gewährleisten, dass auch in diesem Fall ein optimaler Komfort für Passagiere und Crew geboten wird. Hierzu ist heutzutage ein zeitaufwendiger und unflexibler Entwicklungsprozess von Nöten, der vorwiegend auf experimentellen Untersuchungen basiert. Um diesen Prozess zu beschleunigen und so Entwicklungszeiten und -kosten zu verringern, wurde das Airbus Projekt AMoCaF (Accurate Modeling of Cabin Flow) auf den Weg gebracht. Bei diesem Projekt geht es um die Kopplung von Systemsimulationstools (1D), mit denen z.B. eine Rohrnetzberechnung durchgeführt werden kann, mit Feld- bzw. CFD-Simulationstools (3D), die eine detaillierte Ab- bildung des Strömungsfeldes in einem durchströmten Körper erlauben.

Das Ziel dieser Studienarbeit ist eine Recherche zur 1D/3D-Kopplung. Dies umfasst sowohl ei- ne Studie darüber, wie es prinzipiell möglich ist, diese Kopplung durchzuführen, als auch eine Marktanalyse von bereits vorhandenen Tools, die die Möglichkeit einer 1D/3D Kopplung bie- ten. Zu diesem Zweck sollen diese Tools kurz vorgestellt und eine kleine Übersicht über deren Leistungsfähigkeit und Funktionsweise gegeben werden.

Hamburg-Harburg, den 19.07.2006

Inhaltsverzeichnis

2.1  Grundgleichungen  3

2.3  Turbulente Strömungen  5

3  Simulation und Kopplung  9

3.2  1D-Strömungssimulation  10

3.3  CFD Computational Fluid Dynamics  11

3.4  Kopplung  14

3.5  Schnittstellen  17

3.6  Kopplungsabläufe  17

3.6.1  Implizite Synchronisation  17

3.6.2  Explizite Synchronisation  18

3.7  Besonderheiten bei 1D 3D-Co Simulation  20

3.7.1  Übergebene Parameter  20

3.7.2  Flow Pattern Mapping  21

4  Kopplungssoftware  23

4.1  Indirekte Vernetzung  23

4.1.1  MpCCI  23

INHALTSVERZEICHNIS ii

4.1.2 TISC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

4.1.3 vif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

4.1.4 PALM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

4.1.5 STARLink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4.1.6 FLUENTLink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

4.1.7 SimulationX und Fluent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

4.2 Direkte Vernetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

4.2.1 Virtual Engines v5.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

4.2.2 KULI cfd . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

4.2.3 GT-POWER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

4.2.4 Wave und VECTIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

4.2.5 PROMO und FIRE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

4.2.6 AMESim und FIRE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

Abbildungsverzeichnis

3.1  Dymola Modelica Modell  12

3.2  Preprocessing für eine Flugzeugkabine 38  12

3.3  Realisierungsmöglichkeiten für eine Kopplung  15

3.4  Verlauf einer 1D 3D-Co Simulation nach 8  19

3.5  Explizite Synchronisationsschemen 41  20

4.1  Schema einer MpCCI-Kopplung 41  24

4.2  Schema von TISC 34  25

4.3  Entstehen der Widerstandsmatrix nach 17  30

4.4  Überlappungsgebiet bei der Kopplung von PROMO und FIRE nach 7  32

Formelzeichen

Lateinische Formelzeichen

Griechische Formelzeichen

Symbol

ε

η κ λ ν ρ τ Φ ζ

Indizes

0 Wand

1, 2, 3 inf L m max w

x

y z

Besondere Zeichen

(1.1) Zahlen in runden Klammern bedeuten Gleichungsnummern. Die erste Zahl gibt die Kapitelnummer an. [1]

Zahlen in eckigen Klammern verweisen auf das Literaturverzeichnis am Schluss der Arbeit.

Kapitel 1

Einleitung

Everything should be made as simple as possible -

Das Ansehen einer Fluggesellschaft bei Ihren Kunden und die Zufriedenheit der Passagiere sind eng mit dem Kabinenkomfort verbunden. Fluggesellschaften fragen daher immer öfter nach einer individuellen Kabinengestaltung. Durch unterschiedliche Platzierung von Einbauten verändern sich die Luftströmungen in der Kabine. Um Passagieren und Crew hohen Komfort an Bord zu verschaffen, welcher massgeblich durch Temperatur und Luftgeschwindigkeit be- einflusst wird, müssen Luftführung und Klimaregelung angepasst werden.

Aufgrund der Vielzahl der Gestaltungsmöglichkeiten und des experimentellen Aufwands ist es nicht mehr möglich, für jede Konfiguration Versuche durchzuführen. Durch eine Simulation kann man voraussagen, wie die Strömung in der Kabine verlaufen wird. Dies kann spätere Nachbesserungen vermeiden helfen.

Sowohl die Kabine als auch das gesamte Zu- und Abluftsystem innerhalb einer CFD-Simu- lationsumgebung zu modellieren scheidet aufgrund des extrem hohen Rechenaufwandes aus, ei- ne solche Genauigkeit ist in der Regel auch nicht erforderlich. Die Strömung im Rohrnetz kann ausreichend genau mit einer 1D-Simulation abgebildet werden. Der Verlauf in der Kabine muss dagegen sehr exakt simuliert werden können, die Kabine wird daher mit einer 3D-Simulation abgebildet. Eine dynamische Kopplung der beiden Simulationen ermöglicht es, Wechselwir- kungen zu berücksichtigen und auch dynamische Vorgänge zu berechnen. Eine funktionierende Kopplung würde auch eine Bauteilanalyse mit einem CFD-Programm innerhalb des Belüftungs- systems selbst ermöglichen, um einzelne Bauteile zu optimieren. Die Realisierung einer solchen Kopplung ist das Ziel des Projektes AMoCaF: Accurate Modeling of Cabin Flow, eine Zusam- menarbeit von Airbus Deutschland mit dem DLR Göttingen, dem Hermann-Rietschel-Institut der TU Berlin und dem Institut Thermofluiddynamik der TU Hamburg-Harburg.

Der Wunsch nach dynamischer Kopplung von 1D/3D-Simulationen gab es im Bereich der Mo- torsimulation bereits in den 90igern, aufgrund mangelnder Hardware-Leistungen ließ sich eine Kopplung aber noch nicht realisieren. Die Berechnungen wurden getrennt durchgeführt, um die Ergebnisse für eine weitere Berechnung manuell zu übertragen. Das manuelle Übertragen ist sehr aufwändig, daher wurden Iterationen frühzeitig abgebrochen und die dadurch entstehen- den systematischen Fehler in Kauf genommen [7].

1 Einleitung 2

Heutzutage ist die 1D/3D-Kopplung in der Autoindustrie bei der Motorenentwicklung und auch in anderen Bereichen aufgrund der stark angestiegenen Rechenleistung weit verbreitet. Es exi- stieren daher bereits mehrere Kopplungsrogramme und Kopplungsmöglichkeiten, deren Ver- wendung jedoch häufig auf die Simulation im Motorenbereich beschränkt ist. Ziel dieser Arbeit ist es, erstmals einen Überblick über derzeit verfügbaren Kopplungsprogram- me zu geben sowie eine Übersicht über bereits realisierte 1D/3D-Co-Simulationen. Dabei wer- den die theoretischen Möglichkeiten für eine Realisierung der Kopplung aufgezeigt und mitein- ander verglichen.

In dieser Arbeit werden zunächst die strömungsmechanischen Grundgleichungen, auf denen die Berechnungsalgorithmen für die Simulationen basieren, vorgestellt. Dabei werden auch die Be- sonderheiten von turbulenten Rohrströmungen und der Stromfadentheorie erläutert. Im Kapitel Simulation und Kopplung wird dann mit einigen Begriffsdefinitionen die Basis für eine einheit- liche Sprache gelegt. Es folgt eine kurze Vorstellung der 1D- und 3D-Simulation, beispielhaft werden dabei jeweils die Simulationsprogramme vorgestellt, die auch im AMoCaF-Projekt ver- wendet werden sollen. Anschließend wird der Frage nachgegangen, welche Möglichkeiten für die Umsetzung einer Kopplung existieren. Dabei werden auch die Besonderheiten einer 1D/3D- Co-Simulation betrachtet.

Im Mittelpunkt des vierten Kapitels steht die Darstellung der bereits existierenden Kopplungs- programme. Neben den technischen Details der Programme werden auch bereits mit ihnen rea- lisierte 1D/3D-Co-Simulationen vorgestellt. Zum Abschluss wird ein Fazit gezogen, welche Möglichkeit sich für die Realisierung eignet und ein Ausblick auf zukünftige Untersuchungen gegeben.

Auf der beiliegenden CD findet man einen Großteil der Artikel, auf denen diese Arbeit basiert. In elektronischer Form sind sämtliche Quellen aus dem Internet mit einem Link versehen, ge- kennzeichnet durch einen hellblauen Kasten. Durch Klicken wird man automatisch auf die Seite geleitet.