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Session: 9C
Thermische Analyse von Induktivitäten
basierend auf den CFD-Methoden
(Schaffner Deutschland GmbH)10/11. Oktober 2017 | Lemgo
© it‘s OWL Clustermanagement GmbH | 17.10.2017
Einführung
Zielsetzung
Ergebnisse
Agenda
Abschlusspräsentation
Resümee und Ausblick
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EinführungSchaffner Deutschland GmbH
▪ Hersteller von leistungsmagnetischen Filterkomponenten für die Schlüsselmärkte
▪ Traktion
▪ Antriebssysteme
▪ Erneuerbare Energien
▪ Tochter der Schaffner Gruppe mit dem Hauptsitz in Luterbach (Schweiz)
▪ Standort Büren
▪ Entwicklung und Vertrieb für die Division
Power Magnetics Europa
▪ Jahresumsatz (PM EU): 16 Mio. €
▪ Anzahl Mitarbeiter: 32
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EinführungForschungspartner
Mitglied des Kompetenzzentrums für nachhaltige
Energietechnik (KET) sowie des Direct Manufacturing
Research Centers (DMRC)
Forschungsthemen:
➢ Transportphänomene in Mehrphasenströmungen
➢ Prozessintensivierung
➢ Kollonneneinbauten
➢ Kühlen und/oder Heizen von chemischen, mechanischen
und elektrischen Systemelementen
Prof. Dr.-Ing. habil.
Eugeny Kenig
Lehrstuhlinhaber und
Vorsitzender des KET
Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik (FVT)
an der Universität Paderborn
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EinführungMotivation/ Ausgangssituation für das Transferprojekt
Ausgangssituation:
➢ Die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer von Wickelgütern sind
maßgeblich abhängig von deren thermischer Belastung
➢ Die Vorausberechnung des Erwärmungsverhaltens basiert
heute auf Wärmequellennetzwerken unter der Annahme von
Wärmeübergangsziffern.
➢ Insbesondere bei hochintegrierten Systemen (z.B. in elektrischen
Bahnen) treten turbulente Strömungsverhältnisse auf.
➢ Die Vorhersage der Erwärmung und die Identifikation von lokalen
Heißstellen unterliegt großen Unsicherheiten (unbekannte
Strömungsverhältnisse insbesondere bei forcierter Kühlung).
➢ Strömungsmechanische Probleme sind in der Regel nicht
analytisch lösbar.
➢ Mittels der numerischen Strömungssimulation soll die
Erwärmungsvorhersage der Wickelgüter verbessert werden.
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Einführung
Zielsetzung
Ergebnisse
Resümee und Ausblick
Agenda
Abschlusspräsentation
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Thermische Analyse von Induktivitäten basierend auf den CFD-Methoden
Zielsetzung
▪ Integration der numerischen Strömungsmechanik in die
bestehenden Berechnungsmethoden von Wickelgütern bei der
Schaffner Deutschland GmbH
▪ Anpassung geeigneter und am FVT bekannter
Modellierungsansätze für die Berechnung von Induktivitäten mit
forcierter Kühlung
▪ Validierung der Berechnungsmethoden durch Messungen bei der
Schaffner Deutschland GmbH
▪ Seminar zu den Besonderheiten bei Durchführung von CFD-
Simulationen von Wickelgütern
▪ Eigenständige Durchführung von CFD-Simulationen bei der
Schaffner Deutschland GmbH
Zielsetzung
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Thermische Analyse von Induktivitäten basierend auf den CFD-Methoden
Vorgehensweise
AP 1: Herleitung eines geeigneten Modellierungsansatzes
- Auswahl eines Prüflings
- Bereitstellung von CAD-Daten
- Entwicklung eines Modellierungsansatzes
- Wahl der Modellgrenzen
- Ableiten eines CFD-Modells
- Durchführung von CFD-Berechnungen
- Durchführung von
Validierungsmessungen
- Temperatur / Verluste
- Bewertung von Berechnungsergebnissen
- Bewertung des Modellierungsansatzes
AP 2: Schaffung einer Validierungsgrundlage
- CFD – Schulung / Leitfaden zur CFD-
Berechnung von Wickelgütern
- Eigenständige Durchführung von
CFD-Simulationen
AP 3: Integration von CFD-Methoden in den Entwicklungsprozess
- Integration in den Entwicklungsprozess
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Einführung
Zielsetzung
Ergebnisse
Resümee und Ausblick
Agenda
Abschlusspräsentation
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▪ Auswahl des Prüflings
▪ Auswahlkriterien
▪ Möglichst einfacher geometrischer Aufbau
▪ Möglichst geringer Modellierungsaufwand
▪ Genau erfassbare Verlustleistungsquelle
▪ Bekannte Eingangsgrößen für die Simulation
Netzfilterdrossel
Bauart Luftdrossel
Induktivität 2mH
Bemessungsstrom 310A
Frequenz DC
Kühlung AF
Ergebnisse
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▪ Die Wicklung besteht aus einem geschichteten
Aufbau von Leiter und Isolationssystem
▪ Modellreduktion erforderlich, damit eine
CFD-Berechnung mit heutigen Rechnern
möglich wird
▪ Abbildung der Wicklung über effektive Material-
parameter
▪ Anwendung weiterer notwendiger
Geometrievereinfachungen
Ergebnisse
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▪ Für die realitätsnahe Berechnung der Strömungsverhältnisse sind die realen
Umgebungseinflüsse auch in der Simulation zu berücksichtigen.
Ergebnisse
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Größenverhältnisse - Abmessungen (mm)
800540 800 300144
616 1100
800Ø310 Ø180
4300
450
8°
Einlass Auslass„Forcierte“ Kühlung: 900m3/h ~3,3m/s
Berechnungsaufwand
Gitter: 23 Mio. Zellen
Dateigröße: ca. 7 GB
Rechenzeit: ca. 4 Std. (Parallelrechnung auf 256 Kerne Intel Xeon)
Ergebnisse
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Geschwindigkeitsfeld mit Stromlinien (Schnittebene des Windkanals)
Ergebnisse
𝑢𝑧 (m/s)
Turbulente Strömung 3D: stationär, einphasig, inkompressibel, konstante Stoffdaten
Z-Richtung
▪ Die Berechnung erfolgt in zwei Schritten
1. Strömung
2. Wärmetransport
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Ergebnisse
▪ Zur Validierung der CFD-Simulation wurde ein Wärmelauf durchgeführt.
Positionierung der TemperaturfühlerKurvenverlauf infolge Erwärmung durch Stromfluss
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Ergebnisse
▪ Vergleich der Berechnungsergebnisse
▪ Maximale Differenz beträgt 7K im Vergleich zur Messung
▪ In Simulation: Guter Temperaturausgleich über die Lage geringer Einfluss des Messortes
Gleichmäßiges Temperaturprofil stellt sich ein
▪ Identifikation von thermischen Hotspots mittels CFD
Lage Messung in °C Punktprobe in
°C (laut Foto)
Differenz
in K
Mittelwert Lage
in °CMaximalwert
Lage in °C
2 68 61 7 60,3 61,5
4 56 59 3 58,5 59,6
6 53 56 3 56,3 58,8
8 62 66 4 67,25 70,5
Deckplatte
Hotspot
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Ergebnisse
▪ Schulung der simulationsverantwortlichen Mitarbeiter der Schaffner Deutschland GmbH in
einem zweitägigen Workshop
▪ Teil 1:
Einführung/ Grundlagen
zulässige Modellvereinfachungen
▪ Teil 2:
Angeleitete Übungen zur CFD-Simulation
Selbstständige Simulationen
▪ Grundstein für die weitere Integration der CFD in den Entwicklungs-
prozess
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Einführung
Zielsetzung
Ergebnisse
Resümee und Ausblick
Agenda
Abschlusspräsentation
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▪ Berechnungs- und Modellreduktionsansätze für die CFD-
Simulation von Wickelgütern entwickelt
▪ Gute Übereinstimmung von Simulation und Messung
▪ Der Berechnungsaufwand ist für das Tagesgeschäft noch zu
hoch
▪ Große Rechengitter vonnöten (ca. 30Mio. Zellen)
▪ HPC ist Voraussetzung (> 256 Kerne)
▪ Erfahrungsaustausch bildet die Grundlage für die weitere
schrittweise Integration der CFD
Resümee und Ausblick
Resümee
▪ Schaffung einer Arbeitsgrundlage für zukünftige Projekte –
z.B. Ausweitung auf komplexere Geometrien – Trafo mit
integrierter Drossel
▪ Reduktion des Rechenaufwandes z.B. durch Ausnutzung von
Symmetrien oder Fokussierung auf Modellausschnitte
▪ Umsetzung der entwickelten Modellierungsansätze für
einfache Problemstellungen
Ausblick
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
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