Kleine Studienarbeit

Studie zur 1D/3D-Kopplung von Systemsimulationsmodellen

und Feldsimulationsmodellen

Autorin

Imke Krüger

04.01.2007

---

Frau cand.-Ing. Imke Krüger

Aufgabenstellung für eine kleine Studienarbeit

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

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Inhaltsverzeichnis

1

Einleitung

1

2

Strömungsmechanische Grundlagen

3

2.1

Grundgleichungen .

3

2.2

Reynoldszahl .

4

2.3

Turbulente Strömungen .

5

2.4

Turbulente Durchströmungen .

5

2.4.1

Wandschubspannung .

6

2.4.2

Einlauflänge

.

7

2.5

Stromfadentheorie .

7

3

Simulation und Kopplung

9

3.1

Simulation .

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

5

Zusammenfassung und Ausblick

33

Literaturverzeichnis

35

---

Abbildungsverzeichnis

2.1

Pfropfenprofil .

7

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

Symbol

Einheit

Definition

A

[m2]

Querschnittsfläche

C+

[kg/ms3]

Wandschichtkonstante

C

[kg/ms3]

Kernschichtkonstante

C

[kg/ms3]

Kernschichtkonstante

D

[kg/ms3]

Diffusion

d

[m]

Durchmesser

f

[N/m3]

Volumenbezogene Kraft

f

[N/m3]

Volumenbezogener Kraftvektor

g

[N/kg]

Erdbeschleunigung

H

[J]

Enthalpie

K

[-]

Konstante

k

[J]

turbulente kinetische Energie

L

[m]

Länge

m

[kg/s]

Massenstrom

n

[-]

Exponent

n

[-]

Normaleneinheitsvektor

p

[Pa]

Druck

q

[J/kg]

Wärmestromdichte

R

[J/kg K]

Gaskonstante

r

[m]

Radius

T

[K]

Temperatur

t

[s]

Zeit

u

[m/s]

Strömungsgeschwindigkeit in X-Richtung

V

[m3/s]

Volumenstrom

v

[m/s]

Strömungsgeschwindigkeit in Y-Richtung

v

[m/s]

Geschwindigkeitsvektor

W12

[J/kg]

Arbeit

w

[m/s]

Strömungsgeschwindigkeit in Z-Richtung

x

[m]

kartesische Koordinate

y

[m]

kartesische Koordinate

z

[m]

kartesische Koordinate

---

Griechische Formelzeichen

Symbol

Einheit

Definition

[m2/s3]

turbulente Disspiationsrate

[]

Dehnungsrate

[kg/ms]

dynamische Viskosität

[-]

Karman-Konstante

[-]

Rohrreibungszahl

[m2/s]

kinetische Viskosität

[kg/m3]

Dichte

[N/m2]

Schubspannung

[J]

Dissipation

[-]

Widerstandszahl

[-]

Nabla-Operator

Indizes

0

Wand

1, 2, 3

Zustände 1, 2, 3

inf

in unendlichem Abstand

L

Luft

m

Mittelwert

max

maximal

w

Wand

x

Komponente in x-Richtung

y

Komponente in y-Richtung

z

Komponente in z-Richtung

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.

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