Verteilparametrische Pneumatik

 

Im Zeitalter der Digitalisierung spielen Simulationsmodelle eine zentrale Rolle. Für die Auslegung oder die Zustandsüberwachung komplexer Systeme braucht es genaue zeiteffiziente numerische Rechenmodelle. Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung einer Simulationsbibliothek zur zeiteffizienten Berechnung gasbetriebener Netzwerke. Dabei werden die Komponenten ein- bzw. zweidimensional aufgelöst, um transiente Phänomene exakt abbilden zu können.

 
Nutzen Vorgehen
Pneumatische Systeme simulieren Erstellen von finite Elemente Volumenmodelle
Pneumatische Systeme auslegen Aufbau in openModellica
Modulare Simulation örtlich aufgelöster Komponenten Experimentelle Validierung

Kontakt

Telefon

work
+49 241 80 47725

E-Mail

E-Mail
 

Auslegung pneumatischer Systeme mittels effizienter Simulation

Simulationen sind ein wichtiges, Kosten und Zeit sparendes Werkzeug zur Entwicklung und Auslegung von pneumatischen Systemen. Die Komplexität von modernen pneumatischen Systemen lässt eine rein analytische Auswertung nicht mehr zu. Prinzipiell ist es möglich ein pneumatisches System mittels einer vollständigen Simulation und den Methoden der modernen numerischen Strömungsmechanik, wie zum Beispiel der Finiten-Elemente-Methode, abzubilden. Dies geht jedoch mit einem großen Rechen- und Zeitaufwand einher.

Darum werden komplexe pneumatische Systeme in der Regel mittels einer 0-Dimensionalen Simulation ausgelegt, bei dem jedes Bauteil durch eine eigene gewöhnliche Differenzialgleichung beschrieben wird.

Diese Modelle stoßen jedoch schnell an ihre Grenzen, wenn es darum geht hochdynamische Systeme mit langen Leitungen und hohen Taktfrequenzen auszulegen.

 

Neuartiges Simulationsmodell

Das Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung eines neuartigen Simulationsmodells, welches einen Kompromiss zwischen den hochgenauen Methoden numerischen Strömungsmechanik (CFD) und den schnellen 0D-Simulationen darstellt. Es transiente pneumatische Systeme möglichst ohne erhebliche Einbußen in der Genauigkeit simulieren können. Diese Simulationen sollen dabei nicht wesentlich länger dauern als die simulierte Zeit.

Dazu wird in diesem Projekt ein Simulationsmodell entwickelt, bei welchem aus verschiedenen Bauteilen ein pneumatisches System zusammengesetzt werden kann. Diese Bauteile sollen aber nicht durch eine einzelne Gleichung beschrieben werden, sondern örtlich in eine oder zwei Dimensionen aufgelöst werden. Dadurch müssen sie durch eine partielle Differenzialgleichung beschrieben werden. Berechnet wird das System dann mittels der finiten Volumenmethode, unter Rückgriff auf die exakte analytische Lösung für einzelne Bauteile, falls diese Bekannt ist.

 

Modularer Aufbau

Doppelrohr Urheberrecht: © ifas

Die Implementierung des Modells findet in der Modellierungssprache Modelica statt. Es existiert eine große Anzahl von verschiedenen Implementierungen von Modelica, darunter auch die freie Software OpenModelica. Modelica erlaubt es dem Endnutzer ein Simulationsmodell aus verschiedenen Bauteilen zusammenzusetzen, die einer vorgefertigten Bibliothek entnommen werden können. Eine solche Bibliothek wird im Rahmen dieses Projektes entwickelt. Komplexe Bauteile können dabei aus primitiven Bauteilen zusammengesetzt werden können.

In diesem Projekt werden insbesondere auch folgende Bauteile für die Bibliothek umgesetzt:

  • Elastischer Schlauch
  • Plötzliche Änderung des Rohrquerschnitts
  • Realistische Ventilgeometrie
 

Experimentelle und simulative Validierung

Simulation Urheberrecht: © ifas

Die neu entwickelten Bauteile werden im Laufe dieses Projektes auf zwei verschiedenen Weisen validiert werden.

Zum einen können Vorarbeiten am ifas an anderen Simulationsmodellen benutzt werden, um die neuen simulierten Bauteile zu validieren.

Zum anderen entsteht am ifas ein Prüfstand, mit welchem einzelne Bauteile sowie simple pneumatische Systeme experimentell validiert werden können. Dazu werden hochgenaue piezoelektrische Sensoren verwendet, um schnelle Druckschwankungen durch Druck- sowie Verdünnungswellen genau messen zu können.

Mit Hilfe dieses Prüfstandes können die einzelnen Schritte der bei der Entwicklung des Simulationsmodells überprüft werden und im späteren Projektverlauf kann gezeigt werden, wie genau und wie schnell es transiente pneumatische Ereignisse in realistischen pneumatischen Systemen beschreiben kann.

 

Danksagung

VDMA Urheberrecht: © VDMA

Das Projekt wird durch einen industriedominierten Arbeitskreis des Forschungsfonds des Fachverbandes Fluidtechnik im VDMA begleitet und unterstützt. Die Autoren danken allen Beteiligten für die finanzielle Förderung und die fachliche Unterstützung.