Massenkonservative Systemsimulation für Mehrphasenströmungen
Final Report Abstract
Auf Basis physikalisch exakter massenbasierter Modellbeschreibungen und thermodynamischer CFD-Simulationen sowie Prüfstandsversuche wurden im Rahmen dieses Projekts analytische Zusammenhänge und benötigte Fluidparameter erforscht. Diese Grundlage bildet den Berechnungskern für eine massen- und energiekonservative konzentriertparametrische Simulation hydraulischer Systeme, die vor allem im Bereich von geschlossenen Systemen und Langzeitsimulationen eine erhebliche und notwendige Genauigkeitssteigerung der simulierten Ergebnisse liefert. Die neue Modellierung wurde für alle wesentlichen in der Hydraulik verwendeten Komponenten umgesetzt. Eine Erhöhung der Genauigkeit ist insbesondere mit einem variablen Volumen V, wie beispielsweise einem Zylinder, vorzufinden. Darüber hinaus verändert sich der Durchfluss von hydraulischen Widerständen in Abhängigkeit der Dichte ρ. Dies ist insbesondere relevant, wenn in der Flüssigkeit ein ungelöster Luftanteil µL vorliegt, da die resultierende homogene Dichte ρh eine stärkere Druckabhängigkeit aufweist. Neben der klassischen isothermen Simulation wurde mithilfe von thermo-hydraulischen Modellen dem Temperatureinfluss auf das Systemverhalten Rechnung getragen. Des Weiteren übt die Temperatur T über die Dichte ρ Einfluss auf alle Komponenten im Massenmodell aus, was im bisherigen Volumenmodell vernachlässigt wurde und zu entsprechenden Abweichungen führt. Im massenkonservativen Modell hat die Abbildung der Dichte ρ zentrale Bedeutung. Für die genaue Abbildung der Einflussgrößen wurden beispielhaft für gängige Hydraulikflüssigkeiten in Abhängigkeit des Drucks p und der Temperatur T Dichtemessungen durchgeführt, deren Ergebnisse zur Steigerung der Genauigkeit direkt in die Modellbildung einfließen. Darüber hinaus wurde das Durchflussverhalten hydraulischer Widerstände sowie Ventile experimentell mithilfe umfangreicher Messungen sowie CFD-Simulationen in Abhängigkeit der Temperatur T analysiert. Die aus den Untersuchungen resultierenden Beschreibungsformen des Durchflusskoeffizienten αD und des Einschnürungs-Koeffizienten αK dienen der Steigerung der Genauigkeit bei der Modellierung nur ungenügend analytisch beschreibbarer hydraulischer Widerstände. Für Widerstände wurde ein thermodynamisches Modell auf Massenstrombasis entwickelt, welches über den Einschürungskoeffizienten parametriert wird und eine Abbildung turbulenter und laminarer Widerstände ermöglicht. Künftige Arbeiten liegen insbesondere in der Entwicklung einer konzentriert-parametrischen Simulation von Mehrphasenströmungen für die hydraulische Anwendung, die notwendigerweise auf der massenbasierten Berechnungsgrundlage aufbaut. Neben der Bilanzierung einzelner flüssiger und gasförmiger Phasen müssen insbesondere Phasenübergänge in geeigneter Weise berücksichtigt werden. Des Weiteren sind Quellen und Senken einzelner Phasen (bspw. Blasenbildung in Saugleitung oder Luftaustrag im Tank) zu modellieren, um reale Hydrauliksysteme abbilden zu können. Neben der Implementierung analytischer Beschreibungsformen müssen dazu Prüfstandsversuche zur Bestimmung von Modellparametern durchgeführt werden. Anwendungen für eine konzentriert-parametrische Mehrphasensimulation liegen insbesondere in Systemen mit geringem Druckniveau oder niedrigem lokalen Druck, bei denen Luft in ungelöster Form vorliegt und das Systemverhalten stark beeinträchtigt. In der Mobilhydraulik kommt hinzu, dass in den aus Bauraum und Gewichtsgründen kleinstmöglich dimensionierten Tanks kein vollständiger Luftaustrag stattfinden kann. Die Berücksichtigung weiterer flüssiger Phasen im Hydrauliksystem ermöglicht eine stringente Simulation der häufig beobachteten Vermischungsproblematik verschiedener Flüssigkeiten. Dazu gehört beispielsweise auch der ungewünschte Eintrag von Wasser in das Hydrauliksystem, was zu einer negativen Beeinflussung der Fluideigenschaften führt.
Publications
- Fundamentals of Mass conservative system simulation in fluid power, 2009 ASME Dynamic Systems and Control Conference (DSCC), Hollywood, CA, 12-14 September, 2009
Riedel, C.; Stammen, C.; Murrenhoff, H.
- Mass Conservative Modelling of Resistances in Fluid Power System Simulation, 6th FPNI - PhD Symposium, West Lafayette, Indiana, 2010
Riedel, C.; Stammen, C.; Murrenhoff, H.
- Physically Correct Hydraulic System Simulation with Mass Conservative Approach, 7th International Fluid Power Conference (IFK), Aachen, 22-24 March, Vol.1., 2010
Riedel, C., Murrenhoff, H., Stammen, C.
