TU Dresden
Fichier Détails
Cartes-fiches | 81 |
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Utilisateurs | 11 |
Langue | Deutsch |
Catégorie | Mécatronique |
Niveau | Université |
Crée / Actualisé | 11.02.2015 / 18.04.2024 |
Lien de web |
https://card2brain.ch/box/modellbildung_und_simulation_fluidtechnischer_systeme_und_komponeten
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Wodurch unterscheiden sich stationäre und instationäre CFD-Simulationen?
- stationär:
- Lösung der instationären Erhaltungsgleichungen bei zeitlich konstanten Randbedingungen bis stationäerer Zustand des Strömungsfeldes erreicht
- Zeitliche Entwicklung des Strömungsfeldes spielt keine Rolle - instationär:
- Berehcnung der zeitlichen Entwicklung des Strömungsfeldes
- zu jedem Zeitschritt erfolgt eine komplette Berechnung des Strömungsfeldes ("innere Interationen")
- Diskretisierung der Zeit als "vierte Koordinate" (x,y,z,t)
- die Zeitdiskretisierung und die numerische Berechnung der zeitlichen Entwicklung ("äußere Iterationen") erfolgt mit ähnlichen Verfahren wie bei gewöhnlichen DGL (Euler, Runge Kutta, Prädiktor-Korrektur...)
Wie unterscheiden sich explizite von impliziten Verfahren?
Nennen Sie jeweils einen Vertreter für ein explizites und ein implizites Einschrittverfahren!
- explizit: Der gesuchte Wert xi+1 wird nicht zur Berechnung des Näherungswertes xi+1 benötigt
Einschrittverfahren: Eulersche Methode, Heunsche Methode, Runge-Kutta-Verfahren 4. Ordnung - implizit: Der gesuchte Wert xi+1 ist auf beiden Seiten der Gleichung enthalten (gute Stabilitätseigenschaften, erhöhter Rechenaufwand)
Einschrittverfahren: Trapezmethode
Was kennzeichnet die Methode der Finiten-Volumina?
- Lösungsgebiet unterteilt in finite Anzahl an nicht überlappender Kontrollvolumina (KVs)
- Erhaltungsgleichungen auf jedes KV angewendet
- Variablen werden im Rechenknoten (Schwerpunkt des KV) berechnet
- Bilanzierung der Erhaltungsgrößen (Masse, Impuls, Energie) erfolgt durch Integration über KV \(\rightarrow\) Integralform der Erhaltungsgleichungen
- häufig bei kompressiblen Strömungen angewendet (robust und sehr genau bei Unstetigkeiten)
Wieso eignet sich die Zustandsraumdarstellung für simulationstechnische Aufgabenstellungen?
- durch Vektor-Matrix-Darstellung besonders für Simulationen am Digitalrecher geeignet
Welche Typen von beschreibenden Gleichungen unterscheidet man in der Simulationstechnik?
- Differentialgleichungen (gewöhnlich, partiell)
- algebraische Gleichungen
Welche drei Arten von hydraulischen Widerständen unterscheidet man und wodurch sind diese gekennzeichnet?
Drossel: laminare Strömung \(\Delta p \sim Q\)
Blende: turbulente Strömung \(\Delta p \sim Q^2\)
technische Widerstände: laminar-turbulente Strömung (gemischter Ansatz) \(\Delta p \sim Q+Q^2\)
Welche Darstellungsformen der Erhaltungsgleichungen kennen Sie?
Differentialform:
Fluid strömt durch ein infinitesimal kleines Volumenelement, Erhaltungsgleichung in Differentialform, Diskretisierung als Finite-Differenzen-Verfahren (FD)
Vorteile: mathematisch anschaulicher, da keine Integrale auftauchen
Nachteile: physikalisch unanschaulicher, da Volumen gegen Null geht
Integralform: Fluid strömt durch ein endliches Kontrollvolumen V, Erhaltungsgleichung in Integralform, Diskretisierung als Finite-Volumen-Verfahren (FV)
Vorteile: physikalisch anschaulicher: zeitliche Änderung der Strömungsgröße im Inneren des Kontrollvolumens V entspricht der Änderung der Flüsse durch die Kontrolloberfläche A; ist bei unstetigen Verläufen wie bei Verdichtungsstößen genauer
Nachteile: mathematisch komplexer, da Integrale auftauchen
Was versteht man unter dem Begriff „Hydraulische Induktivität“?
- Masseeinfluss eines bewegten (strömenden) Ölvolumens
- Maß für erforderliche Druckdifferenz, die zur zeitlichen Änderung eines Volumenstroms erforderlich ist
- über hydraulische Induktivität \(L_h={\rho l \over A}\) erfolgt die Berechnung der Flussvariable Q aus der Differenzvariable \(\Delta p\)
\(\dot{Q}={1 \over L_h} \Delta p\)
Was drücken die Größen \(c_p\) und \(c_V\)aus und wie sind sie miteinander verknüpft?
- \(c_{p,0}= {\kappa \over {\kappa-1}}*R_S\)ist spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck
- \(c_{V,0}=R_S*({\kappa \over {\kappa -1}}-1)\)ist spezifische Wärmekapzität bei konstantem Volumen
- verknüpft über Isentropenkoeffizient \(\kappa={c_p \over c_V}\)
Was versteht unter den Begriffen „Knoten“ und „Element“?
Knoten: Verbindungsstelle, an der alle Pontenzialvariablen gleichgesetzt und die Summe aller Flussvariablen zu Null adidiert (bilanziert) werden. =Anwendung der Kirchhoff'schen Gesetze (z.B. Mechanik: SummeF=0=
Element: repräsentieren physikalische Gesetzmäßigkeiten; werden durch Gleichungen beschrieben, die die mathematischen Beziehungen zwischen den definierten Variablen der Ports und blockinterner Variablen (Zustands-, Hilfgrößen) abbilden. D.h. Elemente definieren Beziehungen zw. Fluss- und Differenzvariablen (z.B.: mechanische Feder:: F=k*deltax)
Wozu verwendet man "Wandfunktionen"?
- um das Verhalten der Strömung in Wandnähe besser zu erfassen, da dort die turbulenten Schwankungsbewegungen behindert werden und sich die viskosen Einflüsse nicht mehr vernachlässigen lassen
Wodurch zeichnet sich die Modellierung mit Signalflüssen (signalflussbasierte Modellbildung) aus?
- zwischen Blöcken: gerichteter Signalfluss (kausale Modellierung)
- Block repräsentiert mathematische Funktion, die auf das Eingangssignal angewendet wird
- Blöcke sind rückwirkungsfrei (Rückwirkungen extra durch Verknüpfung der Signale)
- Signal werden ohne physikalische Interpreation verwendet → Verknüpfung von Signalen unterschiedlicher Herkunt möglich
- Häufige Anwendung für regelungstechnische Frgestellungen
Was versteht man in der numerischen Strömungsmechanik unter dem „Schließungsproblem“?
- mehr Unbekannte als Gleichungen
Nennen Sie Beispiele für Nichtlinearitäten in fluidtechnischen Systemen!
- Zylinder (nichtlineare Reibkraftcharakteristik)
- Druckaufbau (nichtlineare Stoffeigenschaften, Kompressionsmodul)
- Ventil (nichtlineare Durchflusscharakteristik
Wie lassen sich Modellierungsansätze für Systeme mit konzentrierten Parametern klassifizieren?
Blockorientierte Modellierung:
- mit Signalflüssen (signalorientierte Modellierung)
- mit Energieflüssen (physikalisch orientierte Modellierung)
Textorientierte Modellierung:
- Herkömmliche Programmiersprachen (Fortran, Pascal, C, C++)
- Simulationssprachen (CSSL-Sprachen: ASCL, objektorientierte Sprachen: Modelica)
Was ist der Unterschied zwischen Wurzelortskurve und Ortskurve?
Ortskurve: Frequenzgang über Frequenz
Wurzelortskurve: Verlauf der Polstellen in der komplexen Zahlenebene
Was versteht man unter den Begriffen „White Box Modell“ und „Black Box Modell“?
white Box: theoretisch; physikalische Gesetzt (algebraische und Differentialgleichungen)
black Box: experimentell (Identifikation); Eingangs-/Ausgangsverhalten (Kennlinien, -feld, Übertragungsfkt.)
Wodurch unterscheiden sich ideale Flüssigkeiten von realen Flüssigkeiten (z. B. Hydrauliköl)?
ideal: inkompressibel (keine kapazitiven Eigenschaften), massebehaftet (induktive Eigenschaften, d.h. Fluidträgheit speichert kinetische Energie), reibungsfrei (keine dissipativen Eigenschaften)
real: kompressibel (kapazitive Eigenschaften, d.h. Speicherung von Kompressionsenergie), massabehaftet (induktive Eigenschaften, d.h. Fluidträgheit speichert kinetische Energie), reibungsbehaftet (dissipative Eigenschaften, d.h. innere Reibung und Wandreibung -> Wärme im Flüssigkeitsstrom und an der Wand -> Energieverlust)
Wofür stehen die Abkürzungen „DNS“, „LES“ und „RANS“?
- direkte numerische Simulation
- Large Eddy Simulation
- Reynolds Average Navier Stokes Equations
Nennen Sie Vertreter für Mehrschrittverfahren!
- Adams-Bashfoorth-Methode 4 Schritt (explizit)
- Adams-Moulton-Methode 4 Schritt (implizit)
- BDF (Backward Differentiation Formulas) = DASSL (Differential Algebraic System Solver) (implizit)
- MEBDF (Modified Enhanced BDF) implizit
Welche Eigenschaften haben Symmetrieränder?
Nennen Sie einen sinnvollen Anwendungsfall!
- geringere Rechenzeit
- Geschwindigkeitskomponenten senkrecht zum Rand = Null
- Normalspannungen = Null
Anwendungsfall: laminare Rohrströmung: 3D \(\rightarrow \) 2D
Was zeigt der Frequenzgang?
- komplexe Antwort eines Systems auf Anregung mit einem sinusförmigen Eingangssignal
Welche thermischen Zustandsgrößen, kalorischen Zustandsgrößen und Prozessgrößen kennen Sie im
Bereich der Pneumatik?
- thermisch: Druck p [bar], Volumen V [m³], Temperatur T [K]
- kalorisch: innere Energie U [J], Enthalpie H [J], Entropie S [J]
- Prozessgrößen: Wärme Q [J], mechanische Arbeit W [J]
Was bedeutet „laminare“ CFD-Simulation?
- unabhängig von Realität wird laminarer Ansatz gebildet
- Turbulezen werden nicht abgebildet \(\rightarrow\) Fehler
Was ist der Grundansatz von Wirbelviskositätsmodellen?
Nennen Sie zwei typische Vertreter!
- turbulente Spannungen sind analog zu viskosen Spannungen proportional zu den Geschwindigkeitsgradienten
- Gesamtspannung als Summe der viskosen und turbulenten Spannungen darstellbar
Vertreter: Standard k-\(\epsilon\)-Modell, k-\(\omega\)-Modell, SST-Modell
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