Entwicklung eines mehrphasiges Tankmodells für die eindimensionale Hydrauliksimulation

  Metamodell zur Einbindung von Tanksimulation in 1D-Modelle

Ungelöste Luft im Öl verursacht vielfältige Probleme für Hydrauliksysteme. Daher wird der Hydrauliktank als Komponente, welche die Aufgabe der Luftabscheidung aus dem System erfüllt, genauer untersucht.In den vergangenen Jahren wurde das Verhalten des Hydrauliktanks zur Luftabscheidung experimentell sowie mit CFD-Simulationen untersucht.In diesem Projekt wird ein Metamodell gebildet, welches den Luftanteil am Auslass eines Hydrauliktanks abhängig von identifizierten Einflussfaktoren deutlich zeiteffizienter im Vergleich zu CFD-Simulationen und Experimenten abbildet.

 

Nutzen

Vorgehen
Bestimmung des Luftanteils am Auslass eines Hydrauliktanks ohne großen Kostenaufwand und spezielle Kenntnisse Quantifizierung der Einflussfaktoren und Auswahl eines Versuchsplans
Auswahl eines geeigneten Tanks für Hydrauliksysteme hinsichtlich des Luftanteils am Auslass Durchführung von CFD-Simulationen und Erstellung eines Metamodells
Einfache und schnelle Einsetzbarkeit des mehrphasigen Tankmodells in der Industrie aufgrund der niedrigeren Rechenkapazitäten und –zeiten im Vergleich zu CFD Simulation Validierung und Optimierung des Modells
Aufbereitung des Metamodells für den Softwaretransfer

Kontakt

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CFD-Solver, Prüfstand und Modellkonzept

CFD Eines Öltanks CFD-Tankmodell

CFD-Modell

Für dieses Projekt wurde ein Solver in OpenFOAM® entwickelt, der auf dem Euler-Lagrangian-Ansatz basiert. Die Mehrphasenströmung in einem Hydrauliktank wird als dispergierte Zweiphasenströmung bestehend aus Fluid und Partikeln angenommen. Das Fluid repräsentiert die kontinuierliche flüssige Trägerphase (Öl) und die Partikel die dispergierte Gasphase (Luftblasen).

Der Simulation liegt eine Vier-Wege-Kopplung zugrunde, das heißt, der Einfluss der Strömung auf Luftblasen und umgekehrt sowie Blasen-Wechselwirkungen (Kollisionen und Koaleszenz) werden betrachtet.

Der Solver verwendet eine gekoppelte Euler-Lagrange Methode, um die dynamische Änderung der Öl- und Luftvolumenströme am Einlass zu simulieren. Mit Hilfe der Simulation lässt sich der Luftanteil am Auslass in Abhängigkeit der Systemparameter dynamisch berechnen.

 
  Tankprüfstand Tankprüfstand

Tankprüfstand

Mit dem Tankprüfstand kann der Luftanteil am Auslass eines Hydrauliktanks vermessen werden, um diese anschließend mit den Ergebnissen der CFD Simulation abzugleichen. Mit einem Schattenaufnahme-System wird die Ölströmung nach Verlassen des Testtanks in einem Bypass fotografiert. Die damit erzeugten Bilder werden nachbearbeitet, um den Luftanteil und die Blasendurchmesserverteilung zu berechnen.

 
 

Metamodell

Der direkte Einsatz komplexer CFD-Modelle ist durch lange Rechenzeiten und erforderliche Kenntnisse nur eingeschränkt zur Analyse des Tanks sinnvoll möglich. Mit einem sogenannten Metamodell ist die Zielgröße (hier Luftanteil am Auslass des Tanks) mit ausreichend genauen Vorhersagen im Bereich von Millisekunden möglich. Ein solches Metamodell wird im Rahmen dieses Forschungsprojekts entwickelt.

Dieses Modell kann auf einer Vielzahl von komplexen Gleichungssystemen basieren. Die untersuchten Einflussfaktoren sind die Eingangsgrößen des Modells. Aus dem Einstellbereich dieser Größen wird ein mehrdimensionales Gebilde erstellt, die als Faktorraum bezeichnet wird. Jeder Punkt im Faktorraum ist eine Kombination aus den numerischen Werten der Faktoren. Die ausgewählten Kombinationen aus dem Faktorraum bildet das Versuchsfeld.

Zur Auswahl eines effizienteren Versuchsfelds wird die DoE-Methode verwendet. Es wird dabei versucht, ein Versuchsfeld auszuwählen, das eine maximale Informationsmenge bei minimaler Versuchsanzahl zu ergeben. Hiermit wird die komplexen Zusammenhänge zwischen den Faktoren und die Zielgröße geliefert. Das Metamodell wird dabei aus den Daten gewonnen, die auf Basis eines Versuchsfelds ermittelt wurden.

 
  Flußdiagram Vorgehen bei Modellbildung Modellbildung
 
 

Softwaretransfer

Das mehrphasige Metamodell des Tanks soll als eigenständiges Komponentenmodul in 1D-Simulationssoftware (zum Beispiel AMESim oder DSHplus) implementiert werden können. Zu diesem Zweck wird aus dem mehrphasigen Tankmodell mit Hilfe von FMI ein FMU-Modell bereitgestellt, das von jedem 1D-Simulationsprogramm verwendet werden kann.

Die Genauigkeit des gebildeten Metamodells wird durch die Validierungsrechnungen beurteilt und falls nötig werden Modelloptimierungen mit den vorhandenen Methoden vorgenommen. Am Ende lässt sich der Einfluss der Faktoren auf die Zielgröße mit einer Sensitivitätsanalyse ermitteln. Das entwickelte Metamodell ist das mehrphasige Tankmodell.

 

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 19612 N / 1 der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V. -FOSTA, Sohnstraße 65, 40237 Düsseldorf wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Simulationen wurden mit Rechenressourcen durchgeführt, die von der RWTH Aachen University im Projekt rwth0344 gewährt wurden.

Das ifas bedankt sich herzlich für die Finanzierung und Unterstützung.

 

Veröffentlichungen

Mostafavi R., Tiffin D., Schmitz K.: "Determination of The Dynamic Characteristics of a Hydraulic Reservoir for Its Air Release Efficiency Using Multiphase CFD Model“, BATH/ASME Symposium on Fluid Power and Motion Control (FPMC2018), 2018, Bath, UK