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Über dieses Buch

Jakob Hennig führt eine Untersuchung transienter Strömungs- und Schwingungsvorgänge an Lamellenventilen eines Pkw-Kältemittelverdichters auf Basis numerischer Simulationsmethoden durch. Unter Anwendung der Zwei-Wege-Kopplung von Struktur- (FEM) und Fluid-Submodellen (CFD) erstellt er dreidimensionale Ventilprototypen, welche die charakteristische Fluid-Struktur-Interaktion (FSI) wiedergeben. Die virtuellen Ventilprototypen werden anhand experimenteller Versuchsergebnisse in Bezug auf ihr stationäres und dynamisches Verhalten validiert. Auf Basis der validierten 3D-Ventilprototypen stellt der Autor eine Methode zur virtuellen Kalibrierung reduzierter Ventilmodelle vor, welche er auf die Ventileinheit eines CO2-Axialkolbenverdichters anwendet.

Der Autor
Jakob Hennig studierte an der TU Bergakademie Freiberg Maschinenbau mit der Vertiefungsrichtung Thermofluiddynamik. Er arbeitet in der Forschung und Entwicklung bei einem großen Automobilhersteller am Standort Wolfsburg im Themenfeld der Elektrotraktion.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Einleitung

Seit dem 01.01.2017 ist der Einsatz von Kältemitteln mit einem GWP100 a-Wert von über 150 für alle neu produzierten Pkw EU-weit verboten. Dies schließt auch das Kältemittel R134a ein, welches bisher in Pkw-Kälteanlagen verwendet worden ist. Als Alternative zu synthetischen Kältemitteln, wie das derzeit flächendeckend eingesetzte R1234yf, bietet sich Kohlendioxid (CO2) an.
Jakob Hennig

Kapitel 2. Stand des Wissens zur Modellierung von Verdichter-Lamellenventilen

Dieses Kapitel gibt einen Überblick über den Aufbau und die grundsätzliche Funktionsweise von Lamellenventilen für Kältemittelverdichter sowie über Ansätze zu deren Modellierung. Nach einer Herleitung der wichtigsten strömungstechnischen Beziehungen für Lamellenventile in Kolbenverdichtern folgt eine Klassifizierung von Ventilmodellen entsprechend des aktuellen Wissensstandes nach strömungs- und strukturseitigem Detaillierungsgrad.
Jakob Hennig

Kapitel 3. Angewandte Simulationsmethoden

Dreidimensionale Simulationsmethoden bilden die Grundlage der im Rahmen der vorliegenden Arbeit durchgeführten Untersuchungen. Dabei wird zur Berechnung der Fluidlösung die numerische Strömungssimulation (CFD) unter Verwendung der Finite-Volumen-Methode (FVM) eingesetzt. Zur Strukturlösung (CSM) wird die Finite-Elemente-Methode (FEM) genutzt.
Jakob Hennig

Kapitel 4. Validierungsdatenbasis für die Ventilsimulation

Die Bestimmung eines geeigneten Simulationssetups zur Modellierung des realen Ventilverhaltens erfordert eine experimentelleValidierungsdatenbasis. Hierfür werden experimentelle Messdaten für
1.
das stationäre Ventilverhalten (Ventilkennlinie) sowie
 
2.
das transiente Ventilverhalten beim Aufprägen charakteristischer Druckstöße
 
benötigt.
Jakob Hennig

Kapitel 5. Erstellung und Validierung der virtuellen Ventilprototypen

Die in Kapitel 4 beschriebenen Validierungsdaten werden genutzt, um die virtuellen 3DVentilprototypen auf Basis der FSI-Simulation zu erstellen. Dazu wird in Abschnitt 5.1 zunächst der Aufbau eines Basis-FSI-Simulationsmodells beschrieben. Abschnitt 5.2 beschreibt die Verfeinerung des Simulationssetups auf Basis der transienten Validierungsdaten der Drucklamelle und beinhaltet eine Auswertung der Rechenzeiten sowie eine FFT-Analyse der Schwingungsverläufe. In Abschnitt 5.3 wird die Übertragbarkeit des gefundenen FSI-Setups auf die Sauglamelle sowie auf hochdruckseitig typische Verdichter- Betriebsbedingungen eines CO2-Verdichters überprüft.
Jakob Hennig

Kapitel 6. 1D-Modellkalibrierung mittels virtueller Prototypen

Die in der Literatur beschriebenen und in Verdichter-Gesamtmodellen häufig eingesetzten 1D-Ventilmodelle erfordern eine adäquate Anpassung der Ventilparameter. Dies betrifft die Federrate, die Ventilmasse und das Dämpfungsverhalten zur Abbildung des Schwingungsverhaltens sowie die effektiven Druck- und Strömungsflächen, um die anregende Kraft der Ventilbewegung und den durch das Ventil durchgesetzten Massenstrom korrekt abzubilden.
Jakob Hennig

Kapitel 7. Zusammenfassung und Ausblick

Die zentrale Zielstellung der vorliegenden Arbeit war die tiefergehende simulative Untersuchung dynamischer Strömungs- und Schwingungsvorgänge an Lamellenventilen eines Kältemittelverdichters. Dabei wurden, basierend auf dreidimensionalen, gekoppelten Simulationsmodellen zur Abbildung der Fluid-Struktur-Interaktion an der Ventillamelle, virtuelle Ventilprototypen entwickelt und auf Basis gesonderter Prüfstandsmessergebnisse validiert. Diese virtuellen Prototypen wurden genutzt, um eine adäquate Ableitung reduzierter Ersatzparameter für eindimensionale Ventilmodelle sowohl des Saug- als auch des Druckventils eines CO2-Pkw-Verdichters in Hubkolbenbauart zu ermöglichen.
Jakob Hennig

Backmatter

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