Transient pneumatic system simulation

  • Transiente Simulation pneumatischer Systeme

Kratschun, Filipp; Murrenhoff, Hubertus (Thesis advisor); Schmitz, Katharina (Thesis advisor)

Düren : Shaker (2020)
Buch, Doktorarbeit

In: Reihe Fluidtechnik. D 99
Seite(n)/Artikel-Nr.: VIII, 118, IX-XIX Seiten : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Kurzfassung

Im Zeitalter der Digitalisierung spielen Simulationsmodelle eine zentrale Rolle. Für eine zeiteffiziente Auslegung oder Zustandsüberwachung komplexer Systeme braucht es genaue numerische Rechenmodelle. Die zunehmende Komplexität der Systeme erlaubt nicht länger eine analytische Rechnung. Dies gilt insbesondere für hochdynamische Systeme, deren Betriebsmedium kompressibles Gas ist und deren zugrundeliegende mathematische Beschreibung auf Gleichungen der Gasdynamik fußt. Beispiele finden sich in der Prozesstechnik, Pneumatik und der Verbrennungstechnik. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer Simulationsbibliothek zur zeiteffizienten Berechnung gasbetriebener Netzwerke bestehend aus den folgenden Komponenten: Rohr, Rohrverbinder, Ventil, Rohr mit unstetiger Querschnittserweiterung, Reservoir, L-Stück, T-Stück und Zylinder. Die Darstellung der Herangehensweise ermöglicht es dem Leser dieser Arbeit, jede Komponente nachprogrammieren zu können. Die Komponenten werden in mindestens einer Dimension örtlich aufgelöst. Bei Komponenten, bei denen dies aus physikalischen Gründen nicht zulässig ist, erfolgt die örtliche Diskretisierung in zwei Dimensionen. Der Berechnungskern jeder Komponente basiert auf einem expliziten Finite-Volumen-Verfahren erster Ordnung. Die Validierung der Komponenten erfolgt in zwei Stufen: analytisch anhand bekannter Grenzfälle und experimentell an einem Prüfstand. Die analytische Validierung dient als Nachweis dafür, dass die Komponenten physikalisch korrekte Ergebnisse liefern. Mit Hilfe der experimentellen Validierung lässt sich zeigen, welche Abbildungsgenauigkeit einzelner Komponenten sowie Systeme bestehend aus mehreren Komponenten erreicht werden kann. Die entwickelte Komponentenbibliothek erreicht im Vergleich zum Experiment eine Genauigkeit von über 95 %. Die Rechendauer bezogen auf einen Meter Länge des Systems beträgt das fünfzehnfache der Simulationszeit. Diese kann jedoch in zukünftigen Arbeiten erheblich reduziert werden. Dadurch ließe sich eine echtzeit-fähige Zustandsüberwachung komplexer gasgetriebener Systeme realisieren.

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