Virtuelle Prototypen für Lamellenventile in Pkw-Kältemittelverdichtern

203 Pages·2019·10.482 MB·German

by  Jakob Hennig

AutoUni – Schriftenreihe
Jakob Hennig
Virtuelle Prototypen
für Lamellenventile
in Pkw-Kältemittel-
verdichtern
AutoUni – Schriftenreihe
Band 135
Reihe herausgegeben von/Edited by
Volkswagen Aktiengesellschaft
AutoUni
Die Volkswagen AutoUni bietet Wissenschaftlern und Promovierenden des Volks-
wagen Konzerns die Möglichkeit, ihre Forschungsergebnisse in Form von Mono-
graphien und Dissertationen im Rahmen der „AutoUni Schriftenreihe“ kostenfrei zu
veröffentlichen. Die AutoUni ist eine international tätige wissenschaftliche Einrich-
tung des Konzerns, die durch Forschung und Lehre aktuelles mobilitätsbezogenes
Wissen auf Hochschulniveau erzeugt und vermittelt.
Die neun Institute der AutoUni decken das Fachwissen der unterschiedlichen
Geschäftsbereiche ab, welches für den Erfolg des Volkswagen Konzerns unabding-
bar ist. Im Fokus steht dabei die Schaffung und Verankerung von neuem Wissen und
die Förderung des Wissensaustausches. Zusätzlich zu der fachlichen Weiterbildung
und Vertiefung von Kompetenzen der Konzernangehörigen fördert und unterstützt
die AutoUni als Partner die Doktorandinnen und Doktoranden von Volkswagen
auf ihrem Weg zu einer erfolgreichen Promotion durch vielfältige Angebote – die
Veröffentlichung der Dissertationen ist eines davon. Über die Veröffentlichung in der
AutoUni Schriftenreihe werden die Resultate nicht nur für alle Konzernangehörigen
sondern auch für die Öffentlichkeit zugänglich.
The Volkswagen AutoUni offers scientists and PhD students of the Volkswagen
Group the opportunity to publish their scientific results as monographs or
doctor’s theses within the “AutoUni Schriftenreihe” free of cost. The AutoUni is an
international scientific educational institution of the Volkswagen Group Academy
which produces and disseminates current mobility-related knowledge through its
research and tailor-made further education courses. The AutoUni's nine institutes
cover the expertise of the different business units, which is indispensable for the
success of the Volkswagen Group. The focus lies on the creation, anchorage and
transfer of knew knowledge.
In addition to the professional expert training and the development of specialized
skills and knowledge of the Volkswagen Group members, the AutoUni supports and
accompanies the PhD students on their way to successful graduation through a
variety of offerings. The publication of the doctor’s theses is one of such offers. The
publication within the AutoUni Schriftenreihe makes the results accessible to all
Volkswagen Group members as well as to the public.
Reihe herausgegeben von/Edited by
Volkswagen Aktiengesellschaft
AutoUni
Brieffach 1231
D-38436 Wolfsburg
http://www.autouni.de
Weitere Bände in der Reihe http://www.springer.com/series/15136
Jakob Hennig
Virtuelle Prototypen
für Lamellenventile
in Pkw-Kältemittel-
verdichtern
Jakob Hennig
AutoUni
Wolfsburg, Deutschland
Zugl.: Dissertation, Technische Universität Bergakademie Freiberg, 2018
Die Ergebnisse, Meinungen und Schlüsse der im Rahmen der AutoUni – Schriftenreihe
veröffentlichten Doktorarbeiten sind allein die der Doktorandinnen und Doktoranden.
AutoUni – Schriftenreihe
ISBN 978-3-658-24845-1 ISBN 978-3-658-24846-8 (eBook)
https://doi.org/10.1007/978-3-658-24846-8
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Vorwort
Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit in den Jahren 2014 bis 2017
alsDoktorandbeiderVolkswagenAGamStandortSalzgitterimBereichderEntwicklung
elektrifizierterNebenaggregate.
HerrnProf.Dr.RüdigerSchwarzegiltmeinherzlicherDankfürdiewissenschaftlicheBe-
treuungdieserArbeitseitensdesInstitutsfürMechanikundFluiddynamikderTechnischen
UniversitätBergakademieFreiberg.DiewertvollenAnregungenbeiregelmäßigenTreffen
sowiederdirekteundunkomplizierteAustauschmitdemInstitutbildetendieBasisfürdas
GelingendieserArbeit.
HerrnProf.Dr.UlrichGroßdankeichfürdieErstellungdesZweitgutachtens.HerrnProf.
Dr.MatthiasKrögermöchteicheinenherzlichenDankfürdieÜbernahmedesVorsitzesim
PromotionsverfahrenanderFakultätfürMaschinenbau,Verfahrens-undEnergietechnikder
TechnischenUniversitätBergakademieFreibergaussprechen.Weiterhinbedankeichmich
bei Herrn Prof. Björn Kiefer, Ph.D., und bei Herrn Prof. Dr. Oliver Rheinbach für ihre
MitwirkungalsMitgliederderPromotionskommission.
EinbesondererDankgiltHerrnDr.AndreasGitt-GehrkefürdieBetreuungmeinerArbeitim
FachbereichderVolkswagenAG.NebeneinerVielzahlwertvollerAnregungen,kritischer
Diskussionen und motivierender Worte ermöglichte er mir die benötigten Freiräume im
dynamischenTagesgeschäftunddieFokussierungaufdiewissenschaftlicheArbeit.
Herrn Stefan Lieske danke ich für die Möglichkeit der Anfertigung dieser Arbeit in der
Entwicklungsabteilung.BeimeinemDoktoranden-GefährtenHerrnDr.MichaelKönigbe-
dankeichmichfürdenumfassendenfachlichenAustauschimBereichderVerdichtertech-
nik, -erprobung und -modellierung. Für die lehrreiche gemeinsame Projektarbeit möchte
ichmichbeiFrauDr.JuliaLemkeunddenHerrenDr.ChristianSchneck,MichaelLüer,
FelixNowak,DanielBlasko,JuliusPape,ThomasKüppersundFlorianBoseniukbedanken.
ZudembedankeichmichfürdenbereicherndenAustauschüberunterschiedlicheAspekte
dernumerischenBerechnungsverfahrenbeiFrauSabineBaumbach,HerrnHeikoWinter-
bergundHerrnAlexanderLehnen.EinweitererDankgiltdenHerrenMaximilianMüller,
Norman Welz, Tim Erhardt und Patrick Hadamitzky, die im Rahmen ihrer studentischen
ArbeitenwichtigeBeiträgezuSimulations-undexperimentellenThemengeleistethaben.
FürwertvollefachlicheDiskussionenimGebietderKompressor-,Ventil-undMesstechnik
möchteichmichdarüberhinausbeiHerrnDr.SvenFörsterling,HerrnDr.NicholasLemke
undHerrnMarioSchlickhoff(alleFa.TLK-ThermoGmbH,Braunschweig)sowiebeiHerrn
CarstenMöhl(TUDresden)bedanken.
MeinabschließenderDankgiltmeinerFamiliefürdiefortwährende,bedingungsloseUnter-
stützungunddenstarkenRückhalt–insbesondereinherausforderndenZeiten.
Braunschweig JakobHennig
Inhaltsverzeichnis
Vorwort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V
Abbildungsverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IX
Tabellenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XIII
Nomenklatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XV
Kurzfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XXIII
Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XXV
1 Einleitung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 HintergrundundMotivation:LamellenventileimPkw-CO -Verdichter . . 1
2
1.2 ZieleundwissenschaftlicherFortschritt . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 AufbauderArbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2 StanddesWissenszurModellierungvonVerdichter-Lamellenventilen . . . 7
2.1 GrundbegriffeundGrundlagenzurBeschreibungdesVentilverhaltens . . 7
2.1.1 GrößenzurBerechnungdesDurchflusses . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.2 GrößenzurBerechnungderDruckkraft . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2 KlassifizierungvonVentilmodellennachDetaillierungsgrad . . . . . . . 11
2.2.1 ReineFluidmodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.2 ReineStruktur-Modelle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.3 GekoppelteModelle(mechanischeZwei-Wege-Kopplung) . . . . 17
3 AngewandteSimulationsmethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.1 NumerischeStrömungsberechnungmittelsFinite-Volumen-Methode . . . 25
3.2 NumerischeStrukturanalysemittelsFinite-Elemente-Methode . . . . . . 31
3.3 DarstellungderNetzbewegungdesStrömungsgebietes . . . . . . . . . . 34
3.3.1 DiskussionverfügbarerNetzbewegungsmethoden . . . . . . . . . 34
3.3.2 OversetMesh-MethodefürüberlappendeRechengitter . . . . . . 37
3.4 PartitionierteFSI-Kopplungsmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.4.1 BetrachtungsweisenachdemALE-Ansatz . . . . . . . . . . . . . 40
3.4.2 Partitionierter,impliziterKopplungsablauf . . . . . . . . . . . . 41
3.5 VoruntersuchungenzuausgewähltenmethodischenSchwerpunkten . . . . 43
3.5.1 Scherschichtströmung:periodischbewegteWand . . . . . . . . . 45
3.5.2 Spaltströmung:periodischöffnendeundschließendeVentilplatte . 47
3.5.3 StrömungsablösungundStrukturanregung:Turek-Hron-Benchmark 50
4 ValidierungsdatenbasisfürdieVentilsimulation . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.1 BeschreibungdesVentilprüfstandes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.2 AuswahlundAufbereitungderValidierungsdaten . . . . . . . . . . . . . 63
4.2.1 StationäreVentilkennlinien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.2.2 DynamischesVentilverhalten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5 ErstellungundValidierungdervirtuellenVentilprototypen . . . . . . . . . 69
5.1 FSI-Basismodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.1.1 GeometrieundRechennetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
VIII Inhaltsverzeichnis
5.1.2 Basis-Simulationseinstellungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.1.3 NachrechnungderstationärenVentilkennlinien . . . . . . . . . . 75
5.1.4 NachrechnungdertransientenVerläufe . . . . . . . . . . . . . . 80
5.2 AnpassungderSimulationsparameteranhandtransienterValidierungsdaten 81
5.2.1 CFD-RechennetzundRandbedingungen . . . . . . . . . . . . . . 82
5.2.2 FluidseitigeParameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.2.3 StrukturseitigeParameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.2.4 KopplungundSkalierbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.2.5 FestlegungundBewertungdesangepasstenFSI-Simulationssetups 98
5.3 ÜbertragungdervalidiertenSimulationseinstellungen . . . . . . . . . . . 102
5.3.1 NachrechnungdertransientenValidierungsdatendesSaugventils. 102
5.3.2 ÜbertragbarkeitaufBetriebsbedingungeneinesCO -Verdichters . 106
2
6 1D-ModellkalibrierungmittelsvirtuellerPrototypen . . . . . . . . . . . . . 111
6.1 1D-Referenz-Ventilmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6.2 VirtuelleErmittlungder1D-Ventilparameter . . . . . . . . . . . . . . . . 114
6.2.1 Federkraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
6.2.2 Ersatzmasse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
6.2.3 Dämpfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
6.2.4 EffektiveKraft-undStrömungsflächen . . . . . . . . . . . . . . 119
6.3 NachrechnungderValidierungsmessungenamVentilprüfstand(Druckventil) 125
6.3.1 StationäreVentilkennlinie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
6.3.2 DynamischeAuslenkungsverläufe . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.4 SimulationdesVentilverhaltensimCO -Axialkolbenverdichter . . . . . . 128
2
6.4.1 Einbindungder1D-Ventilparameter . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.4.2 Modellannahmenund-vereinfachungen . . . . . . . . . . . . . . 132
6.4.3 AuswertungderIndikatordiagramme . . . . . . . . . . . . . . . 133
6.4.4 Sensitivitätsanalyseder1D-Ventilparameter . . . . . . . . . . . . 137
7 ZusammenfassungundAusblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
A.1 TechnischeGrundlagenzumPkw-CO -Verdichter . . . . . . . . . . . . . 153
2
A.1.1 KohlendioxidalsKältemittelinmobilenAnwendungen . . . . . . 153
A.1.2 VerdichterkonzeptefürCO -Kälteanlagen . . . . . . . . . . . . . 155
2
A.1.3 VentilbezogeneVerlustgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
A.2 WeiterführendeErläuterungenzuVorbetrachtungenundEinzelstudien . . 163
A.2.1 PeriodischbewegteWand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
A.2.2 Spaltuntersuchungander2D-Ventilplatte . . . . . . . . . . . . . 165
A.2.3 Turek-Hron-Benchmark . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
A.2.4 ModellierungderviskosenKontaktdämpfungimVentilspalt . . . 177
A.3 FFT-AuswertungderVentil-Schwingungsverläufe . . . . . . . . . . . . . 179
A.4 WeiterführendeTabellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
A.5 WeiterführendeAbbildungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
Abbildungsverzeichnis
1.1 Bestimmungvon1D-VentilparameterninGesamtsystemanalysen . . . . . 3
2.1 SchematischerAufbauderVentilbaugruppeeinesAxialkolbenverdichters 8
2.2 KlassifikationvonVentilmodellenfürKältemittelverdichter . . . . . . . . 12
3.1 SchemaunterschiedlicherAnsätzezurNetzbewegung . . . . . . . . . . . 35
3.2 SchematischeDarstellungdesOversetMesh-AnsatzesnachHadžić[64] . 38
3.3 SchemaunterschiedlicherKopplungsverfahren,angelehntanBloxom[74] 43
3.4 Schemadesverwendetenpartitionierten,implizitenKopplungsverfahrens 44
3.5 SchemazurVoruntersuchungderlaminarenScherschichtströmung . . . . 46
3.6 VergleichderCFD-ErgebnissemitderanalytischenLösung . . . . . . . . 47
3.7 Schemades2D-BerechnungsgebieteseinesidealisiertenVentils . . . . . 48
3.8 AbweichungderdurchgesetztenFluidmassevomReferenzverlauf. . . . . 49
3.9 KraftverlaufbeiunterschiedlicherMinimal-bzw.Restspaltdefinition . . . 50
3.10 GeometriedesBerechnungsgebietesimTurek-Hron-Benchmark[72] . . . 51
3.11 BerechneteSchwingungsverläufeundStrömungsfeld(FSI2-Testfall) . . . 54
4.1 SchematischerAufbaudesVentilprüfstandes,nachLemkeetal.[77] . . . 60
4.2 SchemaderVentilbaugruppeunddesoptischenMessprinzips,nach[77] . 60
4.3 AmVentilprüfstanderfasstestationäreKennlinien(Saug-undDruckventil) 64
4.4 AmVentilprüfstanderfasstedynamischeValidierungsdaten(Druckventil) 65
4.5 Spline-GlättungdesgefiltertenDruckverlaufs . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.1 CFD-BerechnungsgebietdesVentilprüfstandes . . . . . . . . . . . . . . 70
5.2 SchnittdarstellungdesCFD-RechengittersimOverset-Bereich . . . . . . 71
5.3 FEM-StrukturnetzdesSaug-unddesDruckventils . . . . . . . . . . . . 72
5.4 VergleichderFSI-AuslenkungenderCFD-bzw.FEM-Kontrollpunkte . . 75
5.5 FSI-BerechnungderVentilkennlinien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.6 DarstellungderVerformungszuständedesFEM-Modells . . . . . . . . . 77
5.7 RäumlicheDarstellungdesStrömungsfeldessowiederStromlinienverläufe 78
5.8 GegenüberstellungderFSI-berechnetenundgemessenenVentilkennlinien 79
5.9 MittelsFSIberechneteundgeglätteteGleichgewichtskurven . . . . . . . 79
5.10 VergleichderFSI-Auslenkung(Basis-Setup)mitdenValidierungskurven 80
5.11 SchnittdarstellungdesCFD-RechengittersimBereichderDichtleiste . . . 82
5.12 EinflussderSpaltauflösungaufAuslenkungundMassenstrom . . . . . . 83
5.13 EinflussderDauerderDruckrampeaufdenberechnetenAuslenkungsverlauf 84
5.14 EinflussderAnzahlderStützstellenzurDruckglättung . . . . . . . . . . 85
5.15 EinflussderzeitlichenDiskretisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.16 EinflussderRealgas-undTurbulenzmodellierung . . . . . . . . . . . . . 87
5.17 EinflussderWerkstoffdatendesStrukturmodells. . . . . . . . . . . . . . 88
5.18 EinflussderFEM-seitigenMaterialdämpfung . . . . . . . . . . . . . . . 89
X Abbildungsverzeichnis
5.19 EinflussderFEM-seitigenKontaktdämpfungimSpaltbereich . . . . . . . 91
5.20 SchemaderCFD-StudiederQuetschströmunginSpaltbereichen . . . . . 92
5.21 DruckverteilungaufderOberflächedesunteren,bewegtenZylinders . . . 92
5.22 Ermitteltepm(smin)-VerläufefürunterschiedlicheGeschwindigkeitenux,rel 93
5.23 BilanzierungderimSpaltbereichverrichtetenArbeitW . . . . . . . . 94
Spalt
5.24 EinflussdesKopplungsablaufsaufdenberechnetenAuslenkungsverlauf . 95
5.25 VariationderAnzahlderKopplungsschritteundderAnzahlderRechenkerne 97
5.26 VergleichderFSI-Auslenkung(Setupangepasst)mitdenValidierungskurven 98
5.27 FFTderFSI-simuliertenundgemessenenAuslenkungskurven(Druckventil) 101
5.28 ÜberdasSaugventilaufgeprägteDruckverläufe . . . . . . . . . . . . . . 103
5.29 FSI-NachrechnungderAuslenkungskurvendesSaugventils . . . . . . . . 104
5.30 FFTderFSI-simuliertenundgemessenenAuslenkungskurven(Saugventil) 105
5.31 FSI-ErgebnissebeiPrüfstands-undBetriebsbedingungen(Druckventil) . 108
5.32 BerechneteFelderbeiPrüfstands-undBetriebsbedingungen(Druckventil) 109
6.1 VergleichvonFSI-Simulation,Validierungsdatenund1D-Referenzmodell 113
6.2 GemesseneundberechneteFederkennliniendesDruckventils . . . . . . . 115
6.3 Nominalauslenkung,NominalgeschwindigkeitundkinetischeEnergie . . 116
6.4 BerechneteErsatzmassem inAbhängigkeitvonderNominalauslenkung 117
ers
6.5 GeglätteteErsatzmassem inAbhängigkeitvonderNominalauslenkung 118
ers
6.6 AnpassungderMaterialdämpfungb mithilfederFSI-Berechnung. . . . 119
M
6.7 DämpfungsparameterbinAbhängigkeitvonderNominalauslenkung. . . 120
6.8 FSI-berechneteZeitverläufezurBerechnungdereffektivenFlächen. . . . 121
6.9 DruckverteilungaufderOberflächederVentillamelle(Druckventil) . . . 122
6.10 MomentenansatzzurBerechnungdereffektivdruckbeaufschlagtenFläche 122
6.11 BerechneteeffektiveKraft-undStrömungsflächen . . . . . . . . . . . . . 124
6.12 Vergleichvon1D-Referenzmodellundvirtuellkalibriertem1D-Modell . 127
6.13 Schemadesvereinfachten0D/1D-ModellseinesAxialkolbenverdichters . 129
6.14 Ermittelte1D-VentilparameterfürdieAnwendungimCO -Verdichtermodell 131
2
6.15 GemesseneundsimulierteIndikatordiagrammebeiuntersch.Drehzahlen 134
6.16 VergleichdergemessenenmitdenberechnetenIndikatordiagrammen. . . 135
6.17 VergleichdesgemessenenmitdemsimuliertenindiziertenGütegradη . 137
ind
6.18 Sensitivitätsanalyseder1D-VentilparameterinBezugaufW undm(cid:2) . . 139
ind eff
A.1 logp-h-DiagrammeunterschiedlicherKältemittelfürPKW-Kälteanlagen 154
A.2 KlassifizierungvonVerdichterprinzipien(nachKaiser[23],Försterling[9]) 156
A.3 AufbaueineselektrischangetriebenenAxialkolbenverdichters . . . . . . 157
A.4 GrundprinzipeinesScrollverdichters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
A.5 VerlustanteiledeseffektivenLiefergrades(angelehntanFörsterling[9]) . 162
A.6 AnalytischeLösungderperiodischbewegtenWandfüreinevollePeriode 164
A.7 Geschwindigkeitsfeldund-vektorenderCFD-Lösungen. . . . . . . . . . 165
A.8 Referenzverläufefürs =4,5μm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
ZGL
A.9 DarstellungderRechengitterfürdenTurek-Hron-Benchmark . . . . . . . 171
A.10AusgewählteErgebnissedesTestfallesFSI2 . . . . . . . . . . . . . . . . 176
A.11Vorgabeeiner(bi-)linearenKontaktdämpfunginAbaqus/Standard,nach[81] 177