FG Fahrzeugtechnik und -antriebe
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This paper introduces an innovative approach, named synergetic 1D-3D-Coupling, by using synergy effects of 1D and 3D simulation in order to bring down modeling and simulation efforts. At the same time the methodology sustains the spatial resolution of a 3D model. This goal is reached by reducing the 3D fluid side with its time consuming continuity, momentum, energy and turbulence equations to a simple but precise 1D model. Because of the solid structure staying three dimensional, heat flux direction and spatial resolution have 3D accuracy but short calculation times due to the simple heat diffusion equation to be solved. The 1D model is represented by an automatically generated equation system which is capable of considering transient effects. The energy transfer between 1D fluid model and 3D structure model is realized through a neutral 1D-3D-coupling program and the application of the fluid element specific Nusselt correlations.
The following approach is not only applicable for engine development but for any field where fast transient CHT simulations of internal flows are needed.
The theretical background and the newly developed approach are presented in this paper. For this purpose an abstract pipe system is used to generate a hydraulic and thermal network. This network is coupled with a 3D structure in order to show the potential velocity benefit and the possible loss in accuray compared to the conventional full 3D modeling approach.
In der Notwendigkeit einer weiteren Verbrauchssenkung in den vorgeschriebenen Fahrzyklen ist die Ottomotorenentwicklung aktuell auf eine zunehmende Steigerung der spezifischen Leistung durch Direkteinspritzung und Aufladung gerichtet. Trotz der resultierenden erheblichen Zunahme der mechanischen und thermischen Belastung des Kolbens, muss dessen Dauerhaltbarkeit durch intelligente Kühlkonzepte auch zukünftig sichergestellt werden. Darüber hinaus sind in Teillastbereichen durch eine reduzierte Kolbenkühlung noch zusätzliche Wirkungsgradpotentiale zu erschließen. Entscheidend dafür ist die genaue Kenntnis der thermischen Randbedingungen am Kolben zur Bestimmung der Bauteiltemperaturen.
Während auf der Verbrennungsseite schon gut validierte Methoden zur Simulation des Wärmeeintrags existieren, ist die Modellierung der Wärmeabfuhr noch mit erheblichen Unsicherheiten behaftet. Die Ursache liegt in den bisher nur unzureichend analysierten Wärmeübergangsverhältnissen an der Kolbeninnenkontur und Lauffläche, die sich bisher sowohl infolge des komplexen Charakters der Zweiphasenströmung der Spritzölkühlung, als auch aufgrund der starken Ringdynamik im Motorbetrieb einer detaillierten Analyse entzogen haben. Durch Einsatz der numerischen Strömungsmechanik zur Berechnung der Ölspritzkühlung und eines Matlab basierten Programms zur Bestimmung der Wärmeübergangsverhältnisse an der Kolbenseite, werden im Rahmen dieser Arbeit die thermischen Randbedingungen präzisiert und führen damit zu genaueren Kenntnissen des instationären und mittleren Wärmeflusses durch den Kolben und in die Zylinderbuchse. Diese Randbedingungen erlauben es nun, lastpunktabhängig Kolben- und Buchsentemperaturverteilungen simulativ zu bestimmen und schaffen die Grundlage zur präzisen mechanischen und thermischen Auslegung des Grundmotors.