FLUIDDYNAMICS LIBRARY
Die XRGLibrary für Grobgitter-Strömungssimulationen (CFD) mit Modelica
Mit der FluidDynamics library können Sie CFD-Simulationen in Modelica durchführen und über definierte Schnittstellen mit Ihren 1D-Modelica-Modellen direkt verbinden. Die Strömungssimulation basiert dabei vollständig auf Modelica als Modellierungssprache.
Dynamische CFD-Simulation eines unbeheizten Bungalow (VTK-Export nach ParaView)
GITTERGENERIERUNG UND AUSWERTUNG
Die Gittergenerierung und die Auswertung erfolgt mittels der mitgelieferten XRG Score light Application. Dieses MS Excel Add-In steht für alle gängigen Varianten von MS Excel zur Verfügung. In der kommerziellen Fassung von XRG Score ist die Export-Funktion im VTK-Format enthalten (Beispiel siehe oben), womit sich 3-dimensionale Animationen in der freien ParaView (https://www.paraview.org) Software erstellen lassen.
Ihre Vorteile
- Erheblich geringere Kosten als mit konventioneller CFD-Software durch Verwendung von günstigeren Modelica Simulatoren
- Kopplungssoftware zu Modelica entfällt, da CFD-Modelle direkt mit Modelica in einem Modell simuliert werden
- Deutliche Zeitersparnis, weil Simulationsdurchläufe schneller durchgeführt werden können
- Kein Zeitverlust mehr durch divergierende Simulationen, weil sich die notwendige Zeitschrittweite automatisch einstellt
- Volle Modelica-Flexibilität, da der Code offen und transparent ist, Nutzeranpassungen jederzeit möglich sind und die symbolische Transformation durch das Tool erhalten bleibt
- Kostengünstige graphische Auswertung durch Nutzung der im Paket enthaltenen XRG Score light Application
- Gasbewegungen errechnet sich rein aus der vorgegebenen Geometrie durch Verwendung von Navier-Stokes-Gleichungen
Die FluidDynamics Library wird zur Modellierung von Gasströmen (z.B. feuchte Luft) in dreidimensionalen Räumen verwendet. An den Grenzen des Gittermodells besteht die Möglichkeit verschiedene, lokale Randbedingungen, die sich dynamisch ändern können, oder Wand- und Fenstermodelle zu definieren. Die maximale Auflösung des kubischen Gitters liegt in Abhängigkeit der verwendeten Rechnerkapazität bei ca. 1.000 bis 2.000 Zellen. Durch die Verwendung von Symmetrierandbedingungen können auch größere Räume problemlos modelliert werden.
Inhalt der FluidDynamics Library CFD Package
Dreidimensionales Luft/Feststoff-Modell
Das CFD-Package enthält ein Modelica basiertes, dreidimensionales Gittermodell. Das Modell wird aus kubischen Zellen zusammengesetzt. Jede Zelle kann eine Feststoff- oder eine Luftzelle abbilden, es wird das Finite-Volumen-Verfahren zur Unterteilung des Raumes verwendet. Die Energie- und Massenbilanzen werden in Energiezellen berechnet, während die Stoff- und Wärmeströme in sogenannten Strömungszellen berechnet werden. Hierbei wird der Einfluss der Turbulenz, die wirkenden Scherkräfte der Luft, die Schwerkraft und die Auftriebskräfte berücksichtigt. Durch die Verwendung der Navier-Stokes-Gleichungen, wie sie auch in der klassischen CFD-Simulation Anwendung finden, können realistische Strömungsverhältnisse berechnet werden.An den Rändern des Gittermodells ermöglichen Standard-Schnittstellen des Gittermodells die einfache Verknüpfung mit Modellen anderer Bibliotheken. So können z.B. externe Wände eines Gebäudes mit den Partition-Modellen des Zones-Packages abgebildet und der Innenraum mit dem Gittermodell modelliert werden. Selbstverständlich sind Modelica-Fluid-Schnittstellen der Standard-Bibliothek ebenfalls verfügbar. Außerdem können am Modellrand symmetrische und periodische Randbedingungen definiert werden, um den Rechenaufwand für größere Räume zu verringern.
Des Weiteren enthält das Gittermodell alle geometrischen Informationen um den Strahlungsaustausch zwischen Oberflächen exakt zu berechnen. So können im Vorwege alle Einstrahlzahlen (Sichtfaktoren) der Oberflächenpaare ermittelt werden, wodurch unter anderem die interne Verschattung berücksichtigt wird. Hierbei werden Abstände und relative Ausrichtung der Oberflächen relevant für die ausgetauschte Wärmestrahlung.
Zones Package
Zur Modellierung beweglicher und stationärer Klimazonen unter verschiedenen Randbedingungen
Im Zone Package befinden sich pheriphere Komponentenmodelle, die für stationäre oder mobile Anwendungen benötigt werden.
Die Zonenmodelle berücksichtigen u.a. folgende physikalischen Effekte:
- Solare Einstrahlung, Strahlungsberechnung und äußere Verschattung
- Wärmeübergänge an Wänden und Fenstern
- Wärmeleitung durch 1D-Mehrschichtwandmodelle
- Modelle für innere Wärmelasten
- Thermische Aktivierung von Wandschichten
- 1D-Schnittstellen und Randbedingungen für Luftaustausch (Modelica.Fluid kompatibel)
Weather Package
Zur Bündelung und Modellierung von Umweltbedingungen
Das implementierte Wettermodell (Weather Package) kann zeitlich beliebig aufgelöste Wetterdaten einlesen und diese an das Zonenmodel weitergeben. Hauptaufgabe ist jedoch die Intensität der Sonnenstrahlung auf den Ort und Flächenorientierung umzurechnen. Alle für eine Simulation notwendigen Umweltbedingungen werden gebündelt in einem standardisierten Wetter Connector an das Zonenmodel übertragen.
Die Wetter Schnittstelle enthält folgende Daten:
- Außentemperatur
- Fußbodentemperatur
- Globalstrahlung auf eine horizontale Fläche
- Direktstrahlung auf eine horizontale Fläche
- Diffusstrahlung auf eine horizontale Fläche
- Luftdruck
- Luftfeuchtigkeit
- Azimut- Nach Norden orientierter Horizontalwinkel der Sonne Zenit- Vertikaler Winkel der Sonne