Innenraummodellierung einer Fahrzeugkabine in der Programmiersprache Modelica

Aachen / E.ON Energy Research Center, RWTH Aachen University (2014) [Doktorarbeit]

Seite(n): XV, 127 S. : Ill., graph. Darst.

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.

Autorinnen und Autoren

Autorinnen und Autoren

Flieger, Björn

Gutachterinnen und Gutachter

Müller, Dirk

Identifikationsnummern

  • URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-49356
  • REPORT NUMBER: RWTH-CONV-144314