Innenraummodellierung einer Fahrzeugkabine in der Programmiersprache Modelica

Flieger, Björn; Müller, Dirk

doi:999910337528

Innenraummodellierung einer Fahrzeugkabine in der Programmiersprache Modelica = Modelling the interior of a car in the programming language Modelica

Flieger, Björn

2014

VerantwortlichkeitsangabeBjörn Flieger

Ausgabe1. Aufl.

ImpressumAachen : E.ON Energy Research Center, RWTH Aachen University 2014

UmfangXV, 127 S. : Ill., graph. Darst.

ReiheE.On Energy Research Center : EBC, energy efficient buildings and climate ; 18

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Müller, Dirk (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2013-08-02

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-49356
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/229344/files/4935.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Numerische Strömungssimulation (Genormte SW) ; Simulation (Genormte SW) ; Modelica (Genormte SW) ; Klimatechnik (Genormte SW) ; Fahrzeug (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; CFD (frei) ; Zonal Model (frei) ; automotive (frei) ; car (frei) ; cabin (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung eines Berechnungsmodells zur Abbildung von Raumluftströmungen am Beispiel einer Fahrzeugkabine, deren Temperatur- und Geschwindigkeitsfeld durch komplexe Strömungsstrukturen charakterisiert sind. Für eine Abbildung dieser Strukturen bietet der Ansatz sogenannter zonaler Modelle den gegenwärtig zuverlässigsten Kompromiss hinsichtlich Detaillierungsgrad und Echtzeitfähigkeit. Der im Rahmen der Arbeit verwendete Ansatz zur Abbildung der Enthalpieströme zwischen einzelnen Zonen setzt eine Kenntnis der Strömungsstrukturen für unterschiedliche Randbedingungen voraus. Auf Basis detaillierter CFD-Simulationen der Innenraumströmung bei unterschiedlichen Kombinationen von Randbedingungen werden die Transportvorgänge zwischen einzelnen Zonen in einen funktionalen Zusammenhang zu den bestimmenden Randbedingungen gesetzt. Das entwickelte Modell besteht aus 24 Zonen. Die damit mögliche Abbildung der Temperaturverteilung über die Zonen erfolgt über eine Berechnung der Enthalpieströme zwischen den Zonen, einer Berücksichtigung von Transmissionswärmeströmen durch die Umschließungsflächen sowie dem Einfluss solarer Einstrahlung und des langwelligen Strahlungsaustauschs zwischen einzelnen Oberflächen im Innenraum. Die verwendeten Funktionen zur Berechnung der Enthalpieströme zwischen einzelnen Zonen beruhen auf den Ergebnissen einer begrenzten Anzahl von detaillierten CFD-Simulationen. Die Gültigkeit der entsprechenden Abbildung im zonalen Modell ist daher auf diese Fälle sowie auf die Größenordnung der verwendeten Geometrie des Innenraums beschränkt. Die aufgebaute Modellstruktur in der Programmiersprache Modelica bzw. der Simulationsumgebung Dymola ermöglicht eine einfache Erweiterung mit weiteren Kombinationen von Randbedingungen und unterschiedlichen Innenraumgeometrien. Der vorliegende Text gibt eine Einführung in die Zusammenhänge des thermischen Komforts und der Fahrzeugklimatisierung im Trend der fortschreitenden Elektrifizierung des Antriebsstrangs. Ausgehend vom wachsenden Stellenwert der Modellierung zum Vergleich von Klimatisierungskonzepten, werden verschiede Ansätze zur Abbildung der Raumluftströmung in Innenräumen vorgestellt. Nach einem Überblick zu bestehenden Ansätzen zonaler Modelle, wird die parametrische Beschreibung auf Basis von CFD-Simulationen erläutert und unterschiedliche Methoden zur Zonierung bzw. zur Identifizierung charakteristischer Strukturen in einem Geschwindigkeitsfeld vorgestellt. Kapitel fünf beschreibt die zur Validierung sowie zur Parametrierung einzelner Modellkomponenten durchgeführten Messungen an einem Testfahrzeug. In Kapitel sechs werden die in einem Fahrzeuginnenraum auftretenden Strömungstrukturen analysiert. Die Modellierung der Innenraumströmung, des Wärmedurchgangs an den Umschließungsflächen und des kurz- und langwelligen Strahlungsaustauschs werden in Kapitel sieben beschrieben. Eine Validierung erfolgt für eine Auswahl unterschiedlicher Heiz- und Kühlfälle (Kapitel acht). In Kapitel neun wird die Anwendung des entwickelten Modells zur Bestimmung des Energiebedarfs für unterschiedliche Lüftungs- und Verglasungsvarianten sowie in Kombination mit einem Komfortmodell eines Passagiers beschrieben.

The thesis describes the development of a calculation model for indoor air flows using the example of a car cabin whose temperature and velocity field are characterized by complex flow structures. For a simulation of these structures, the so-called zonal model approach offers the most reliable compromise in terms of real-time performance and the level of detail. The approach used in the work to model the enthalpy flows between individual zone requires knowledge of the current flow structures for different boundary conditions. Based on detailed CFD simulation of the air flow with different combinations of boundary conditions, the fluid transport between the individual zones is linked to the defining boundary conditions. The developed model consists of 24 zones. A simulation of the temperature distribution over the 24 zones results from a calculation of enthalpy flows between the zones, a consideration of transmission heat flows through the enclosure as well as the influence of solar radiation and long-wave radiation exchange between individual surfaces within the car cabin. The correlations between the boundary conditions and the resulting enthalpy flows between individual zones are based on the results of a limited number of detailed CFD simulations. The validity of the correlations in the zonal model is therefore limited to these cases, as well as to the dimensions of the geometry used. The model structure is developed in the programming language Modelica using the simulation environment Dymola. It allows an easy expansion with other combinations of boundary conditions and different geometries of car cabins. This text provides an introduction to the relations of thermal comfort and vehicle air conditioning against the background of gradual electrification of the powertrain. Starting with the growing importance of modeling in the automotive industry to compare climate control concepts, different approaches of modelling room air flows are presented. After an overview of existing approaches of zonal models, the parametric description based on CFD simulations is explained and different methods of zoning or identifying characteristic structures in a velocity field are presented. Chapter five describes the measurements on a test vehicle for the parameterization of individual components of the model as well as the necessary validation. Typical flow structures inside a car cabin are analyzed in chapter six. The modelling of the cabin air flow, the heat transmission to the surrounding areas as well as the short - and long-wave radiation exchange are described in chapter seven. A validation is performed for a variety of different heating and cooling cases (chapter eight). Chapter nine describes the application of the model for the determination of the energy consumption for different ventilation scenarios and glazing, as well as in combination with a comfort model for a passenger.

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