ModSim 1
MEP
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36. Was sind die wichtigsten statistischen Einflussgrössen einer thermischen Simulation?
Dichte, Wärmekapazität, Temperatur
37. Was ist der Unterschied zwischen einem „lokalem Optimum“ und einem „globalem Optimum“
Optimum“ Lokals Optimum: innerhalb von bestimmten Grenzen optimal jedoch nicht für das ganze System,
Global Optimum: der beste Zielwert des gesamten Problems
38. Was ist ein „Optimum“? Welche mathematische Bedingung muss es erfüllen?
Optimum ist eine Extremstelle. Die erste Ableitung einer Funktion ist gleich 0
39. Was ist der Unterschied zwischen „Verbesserung“ und „Optimierung“?
Optimieren: Bestehender Prozess so optimiert, dass er ideal wird.
Verbessern: neuer Prozess erschaffen, der besser als alter ist.
40. Nach dem 1. Hauptsatz der Thermodynamikgeht keine Energie verloren. Wie ist dann das Wort „Energieverluste“ zu verstehen?
Energieverlust = Umwandlung der Energie in eine Form, die dem System nicht dient.
41. Was bedeutet eine „proportionale bzw. unter- und überproportionale“ Änderung?
Zwischen zwei Grössen besteht Proportionalität, wenn sie sich immer im selben Verhältnis ändern.
Unterproportional = unterhalb eines ausgeglichenen Verhältnisses
Überproportional = oberhalb eines ausgeglichenen Verhältnisses
42. Was ist der Unterschied zwischen einem Differentialquotienten und einem Differenzenquotienten?
Differentialquotient = lokale Änderungsrate,
Differenzenquotient = mittlere Änderungsrate
43. Zu welchem Zeitpunkt stellt sich bei einem instationären Prozess der stationäre Zustand ein?
Stationär, wenn sich der Zustand mit der Zeit nicht mehr ändert
Beispiel Kondensator: nach 5 Tau ist dieser als stationär zu betrachten (entweder vollgeladen, oder komplett leer)
44. Was für drei Arten von Gleichgewichten gibt es?
Stabiles Gleichgewicht: System kehrt nach einer Störung wieder in Ausganglage
Labiles Gleichgewicht: System geht bei kleiner Störung in anderes Zustand über
Indifferenten Gleichgewicht: System kommt nach jeder Störung in neuen Zustand der Ruhe.
45. Was kennzeichnet ein „stabiles Gleichgewicht“?
System kehrt nach Störung wieder in Gleichgewicht zurück. z.B. Pendel
46. Was sind „stationäre“, „instationäre“ und „quasistationäre“ Betrachtungen? Nennen Sie Beispiele.
Stationär: kontinuierliche Strömung aus einem unendlich grossem Behälter
Instationär: von zeit abhängig: Strömung aus Behälter, bei dem sich der Flüssigkeitsspiegel mit der Zeit ändert.
Quasistationär: Strömung aus einem endlich grossen Behälter, wo der Wasserspiegel zwar sich ändert, jedoch keinen Einfluss hat.
47. Was bedeutet der Begriff «Elektroanalogie»?
Elektro- hydraulische Energie. Es können mit Methoden der elektrischen Schaltungstechnik, hydraulische Systeme beschrieben werden.
Die Änderung des elektrischen Stroms verhält sich gleich wie die Veränderung des Wärmestroms, daher kann mit der gleichen Gleichung gerechnet werden
48. Was ist ein «R-C-Modell»?
RC Glied = Widerstand und Kondensator
Wärmewiderstand = R
Speicherkapazität von Wand = C
Modell um thermodynamische Prozesse zu veranschaulichen. In Elektrotechnik ist ein RC Glied ein Tiefpassfilter. Er lässt Anregungen mit niedriger Frequenz ohne Dämpfung passieren und Anregungen mit hohen Frequenz dämpft er ab. Das lässt sich vergleichen mit z.B. Wand, die thermische Trägheit aufweist und nicht sprunghaft ändert.
49. Warum haben die zeitliche Änderung des elektrischen Stroms und die des Wärmestroms die gleiche mathematische Gleichung?
Elektrische Strom ist abhängig von Spannungsänderung über Widerstand
Wärmestrom ist abhängig von Temperaturänderung über Widerstand.
Beide Systeme können mit der gleichen Exponentiellen Gleichung beschrieben werden.
50. Was ist das wichtigste Merkmal „autonomer“ Systeme?
Autonome Systeme sind nicht abhängig von äusseren Einwirkungen.
Ein Typ von gewöhnlichen Differentialgleichungen, der nicht explizit von der unabhängigen Variable abgehängt
51. Was verstehen Sie unter dem Gradienten einer Funktion?
Der Gradient (ist ein Vektor) zeigt dann die Richtung der größten Änderung der Funktion an.
Vektor aus den ersten partiellen Ableitungen der Funktion.
52. Nach welcher Zeit ist die Triebkraft eins natürlichen Ausgleichsvorgangs (z.B. der Abkühlung eines Speichers) gleich Null?
Nach fünf Tau (Zeitkonstante)
Ein Tau ist die Zeit bis 37% der Abkühlung erreicht sind!
53. Nennen Sie mindestens 3 Erhaltungssätze. Welcher von ihnen liegt allen thermischen Simulationen zugrunde?
Massenerhaltung, Impulserhaltung, Energieerhaltung, Ladungserhaltung
54. Was bedeutet „frei schwingende Raumtemperatur“? Welche Energie muss hierfür aufgewendet werden?
Bedeutet das die Raumlufttemperatur nicht über die Kühllast oder ähnliches fix gehalten wird. Die Raumluft kann sich frei, je nach Bedingungen, verändern.
Wird durch äussere Einflüsse beeinflusst. Zum Beispiel Sonnenenergie!
Es muss mechanische Energie aufgewendet werden um dagegen zu Wirken. Zum Beispiel für Kühlung, Verschattung ect.
55. Können mit thermischen Simulationsprogrammen (z.B. IDA, EnergyPlus) Schichtungen der Raumtemperatur berechnet werden? Begründen Sie Ihre Aussage
1. Worin besteht der Unterschied zwischen einer zeitlichen Änderung (z.B. Licht ein/aus) und einem instationären Prozess (Abkühlung einer Gebäudewand)?
Stationär -> keine Funktion mit Zeit. Licht ist ein oder aus.
Instationär -> Veränderung mit Zeit. Temp. Nimmt ab über Zeit.
Stationäre Wärmeleitung -> Temperatur durch Wand. Die Temperaturänderung der Wand wird nicht berücksichtigt.
Instationäre Wärmeleitung -> Wärmespeicherfähigkeit der Materie wird berücksichtigt. Wenn sich die Wand erwärmt, wird dieses berücksichtigt!
2. Was verstehen Sie unter "objektiver" und "subjektiver" Realität?
Objektive Realität = reine Fakten
Subjektive Realität = ist geprägt durch persönliche Eindrücke des Beobachters
3. Was verstehen Sie unter dem Begriff "Abstraktion"? Nennen Sie ein Beispiel.
Bewusste Vereinfachung. Erfasst nur Attribute, welche vom Ersteller gewünscht sind.
Simulation von Beleuchtungsstärke = Gegenstände auf Schreibtisch werden nicht berücksichtigt (Bildschirme, Tastatur, ect.) , haben aber auch Einfluss auf E.
4. Was sind die 3 wesentlichen Ziele der Simulation?
- das Verhalten des Systems zu verstehen
- verschiedene Entwürfe zu entwickeln und zu bewerten
- Strategien für den Betrieb des Systems zu optimieren
5. Definieren Sie den Begriff "Simulation". Welche Ziele werden mit dieser verfolgt?
Simulation bezeichnet die Nachbildung von realen Szenarien zum Zwecke der Analyse von Systemen, deren Verhalten zu komplex sind für die formelmässige Behandlung.
Prozess des Entwurfs eines Modells eines realen Systems sowie der Durchführung von Experimenten mit den Zielen:
- das Verhalten des Systems zu verstehen
- verschiedene Entwürfe zu entwickeln und zu bewerten
- Strategien für den Betrieb des Systems zu optimieren
Simulation ist ein virtuelles Experiment.
6. Was verstehen Sie unter dem Begriff "Experiment"? Was ist der Unterschied zu einer «Versuchsreihe»?
methodische angelegte Untersuchung zur empirischen Gewinnung von Informationen (empirisch = Beobachten / Messen). Im Unterschied zum Versuch werden im Experiment Einflussgrössen systematisch verändert!
Ein Experiment setzt eine Hypothese voraus, die durch das Experinent bestätigt wird.
Beim Versuch wird keine Hypothese benötigt. Ein Versuch kann dazu dienen, ein Phänome zu veranschaulichen.
7. Was verstehen Sie unter dem Begriff "System"? Nennen Sie ein Beispiel.
Als System wird ein abgrenzbares, natürliches oder künstliches Gebilde bezeichnet, das aus verschiedenen Komponenten mit unterschiedlichen Eigenschaften besteht, die aufgrund bestimmter geordneter Beziehungen untereinander als gemeinsames Ganzes betrachtet werden.
Beispiel System: Verbrennungsmotor, Gebäude
8. Was verstehen Sie unter dem Begriff "Bilanz"? Nennen Sie ein Beispiel.
Betrachtung der in ein System eintretenden, aus dem System austretenden und im System verbleibenden Quantitäten.
Differenz zwischen Ein- und Ausgang bei einer Systemgrenze!
Änderung der inneren Energie eines Gebäudes = Wärmeverluste plus Lüftungsverluste minus Innere Wärmequellen minus Äussere Wärmequellen
9. Was verstehen Sie unter dem Begriff "analytische Lösung"? Wann wird sie verwendet?
Die Lösung eines Problems in mathematisch geschlossener Form, durch Umstellung der Formeln bis man die gesuchte Variable berechnen kann.
Das Problem in einer gut verstandenen Form zu formulieren und genau Lösung berechnen. Wird verwendet, sofern das Problem analystisch lösbar ist! Meistens für einfachfe Gleichungen. Für Berechnungen bei statischen Zuständen.
10. Was verstehen Sie unter dem Begriff "numerische Lösung"? Wann wird sie verwendet?
Bei numerischen Lösungen werden die Lösungen durch Approximationsverfahren (Näherungsverfahren) hergeleitet. Häufig wird dies durch Approximationsalgorithmen mit Hilfe von Computern gemacht.
Lösungen zu erraten und zu testen, ob das Problem gut genug gelöst ist, um aufzuhören. Wird verwendet, wo die analytische Lösung nicht möglich ist! Für dynamische Zustände!
11. Was verstehen Sie unter dem Begriff "Modell"? Welche Arten von Modellen gibt es?
Modell ist die vereinfachte Darstellung der Realität.
Analytische Modelle, empirische Modelle und gemischte (Semi- empirische) Modelle
12. Was verstehen Sie unter „iterativer Lösung“? Wann ist sie erfolgreich?
Ergebnis wird angenommen, eingesetzt und geprüft ob korrekt. Wenn Prüfung zufriedenstellen, ist Ergebnis i.O.
Das iterative Verfahren ist dann erfolgreich, wenn sich die Lösung dem zu erwarteten Wert genügend annähert.
13. Was verstehen Sie unter dem Begriff "Schrittweite" und welchen Einfluss hat sie auf die Lösung?
Schrittweite beschreibt die Auflösung der Berechnung (je kleiner die Schrittweite, umso detaillierter das Ergebnis aber desto grösser der Rechenaufwand)
14. Was ist der Unterschied zwischen einer analytischen und einer numerischen Lösung?
Numerische Verfahren besitzen einfachen Aufbau, hedoch hohen Rechenaufwand.
Analytisch ist eine genaue Lösung in gut verstandener Form zu formulieren.
Nummerisch bedeutet die Lösung zu erraten und zu testen, ob es gut genug ist.
15. Was ist der Unterschied zwischen einer algebraischen Gleichung und einer Differentialgleichung?
Algebraisch sucht Wert, Differential sucht Gleichung
In Differentialgleichung kommt die Ableitung der Funktion vor!
16. Was ist der Unterschied zwischen einer Differentialgleichung und einer Differenzengleichung? Nennen Sie ein Beispiel.
17. Welche Unterschiede gibt es zwischen einer Probe (Messung), einem Experiment (Versuchsreihe) und einer Simulation?
Probe ist Momentaufnahme, Experiment ist Suche des Erwartungswert durch Erprobung, Simulation ist Bestimmung des Erwartungswerts durch mathematische Beschreibung des Systems
Simulation ist ein virtuelles Experiment!
18. Aus welchen Gründen verwendet man numerische Lösungen anstelle analytischer Lösungen? Nennen Sie ein Beispiel.
Aufgrund der Komplexität ist eine analytische Lösung meist nicht im Verhältnis zum Aufwand.
Beispiel: Wettervorhersagen, Effektivität einer Werbekampagne
19. Was sind die (vier) Hauptgründe der Simulation?
System existiert noch nicht,
reale Untersuchung zu aufwändig,
reales System lässt sich nicht direkt beobachten (zu klein, zu schnell, ect),
einfachere Modifikation als am realen System.
20. Was verstehen Sie unter dem Begriff "Algorithmus"? Was ist der Unterschied zu dem Begriff „Programm“?
Allgemein gesagt, gibt ein Algoeithmus eine Vorgehensweise vor, um ein Problem zu lösen.
Algorithmus ist die Handlungsvorschrift zu einem Problem aus mehreren Einzelschritten,
Programmierung ist Implementierung von Algorithmen in einer Programmiersprache (digitale Lösung)
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41. Was bedeutet eine „proportionale bzw. unter- und überproportionale“ Änderung?
Zwischen zwei Grössen besteht Proportionalität, wenn sie sich immer im selben Verhältnis ändern.
Unterproportional = unterhalb eines ausgeglichenen Verhältnisses
Überproportional = oberhalb eines ausgeglichenen Verhältnisses
42. Was ist der Unterschied zwischen einem Differentialquotienten und einem Differenzenquotienten?
Differentialquotient = lokale Änderungsrate,
Differenzenquotient = mittlere Änderungsrate
43. Zu welchem Zeitpunkt stellt sich bei einem instationären Prozess der stationäre Zustand ein?
Stationär, wenn sich der Zustand mit der Zeit nicht mehr ändert
Beispiel Kondensator: nach 5 Tau ist dieser als stationär zu betrachten (entweder vollgeladen, oder komplett leer)
44. Was für drei Arten von Gleichgewichten gibt es?
Stabiles Gleichgewicht: System kehrt nach einer Störung wieder in Ausganglage
Labiles Gleichgewicht: System geht bei kleiner Störung in anderes Zustand über
Indifferenten Gleichgewicht: System kommt nach jeder Störung in neuen Zustand der Ruhe.
45. Was kennzeichnet ein „stabiles Gleichgewicht“?
System kehrt nach Störung wieder in Gleichgewicht zurück. z.B. Pendel
46. Was sind „stationäre“, „instationäre“ und „quasistationäre“ Betrachtungen? Nennen Sie Beispiele.
Stationär: kontinuierliche Strömung aus einem unendlich grossem Behälter
Instationär: von zeit abhängig: Strömung aus Behälter, bei dem sich der Flüssigkeitsspiegel mit der Zeit ändert.
Quasistationär: Strömung aus einem endlich grossen Behälter, wo der Wasserspiegel zwar sich ändert, jedoch keinen Einfluss hat.
47. Was bedeutet der Begriff «Elektroanalogie»?
Elektro- hydraulische Energie. Es können mit Methoden der elektrischen Schaltungstechnik, hydraulische Systeme beschrieben werden.
Die Änderung des elektrischen Stroms verhält sich gleich wie die Veränderung des Wärmestroms, daher kann mit der gleichen Gleichung gerechnet werden
48. Was ist ein «R-C-Modell»?
RC Glied = Widerstand und Kondensator
Wärmewiderstand = R
Speicherkapazität von Wand = C
Modell um thermodynamische Prozesse zu veranschaulichen. In Elektrotechnik ist ein RC Glied ein Tiefpassfilter. Er lässt Anregungen mit niedriger Frequenz ohne Dämpfung passieren und Anregungen mit hohen Frequenz dämpft er ab. Das lässt sich vergleichen mit z.B. Wand, die thermische Trägheit aufweist und nicht sprunghaft ändert.
49. Warum haben die zeitliche Änderung des elektrischen Stroms und die des Wärmestroms die gleiche mathematische Gleichung?
Elektrische Strom ist abhängig von Spannungsänderung über Widerstand
Wärmestrom ist abhängig von Temperaturänderung über Widerstand.
Beide Systeme können mit der gleichen Exponentiellen Gleichung beschrieben werden.
50. Was ist das wichtigste Merkmal „autonomer“ Systeme?
Autonome Systeme sind nicht abhängig von äusseren Einwirkungen.
Ein Typ von gewöhnlichen Differentialgleichungen, der nicht explizit von der unabhängigen Variable abgehängt
51. Was verstehen Sie unter dem Gradienten einer Funktion?
Der Gradient (ist ein Vektor) zeigt dann die Richtung der größten Änderung der Funktion an.
Vektor aus den ersten partiellen Ableitungen der Funktion.
52. Nach welcher Zeit ist die Triebkraft eins natürlichen Ausgleichsvorgangs (z.B. der Abkühlung eines Speichers) gleich Null?
Nach fünf Tau (Zeitkonstante)
Ein Tau ist die Zeit bis 37% der Abkühlung erreicht sind!
53. Nennen Sie mindestens 3 Erhaltungssätze. Welcher von ihnen liegt allen thermischen Simulationen zugrunde?
Massenerhaltung, Impulserhaltung, Energieerhaltung, Ladungserhaltung
54. Was bedeutet „frei schwingende Raumtemperatur“? Welche Energie muss hierfür aufgewendet werden?
Bedeutet das die Raumlufttemperatur nicht über die Kühllast oder ähnliches fix gehalten wird. Die Raumluft kann sich frei, je nach Bedingungen, verändern.
Wird durch äussere Einflüsse beeinflusst. Zum Beispiel Sonnenenergie!
Es muss mechanische Energie aufgewendet werden um dagegen zu Wirken. Zum Beispiel für Kühlung, Verschattung ect.
55. Können mit thermischen Simulationsprogrammen (z.B. IDA, EnergyPlus) Schichtungen der Raumtemperatur berechnet werden? Begründen Sie Ihre Aussage
