Modellierung des Fortluftkanalsystems mit beweglicher Wetterschutzklappe eines Metro-Fahrzeugs mittels Fluid-Struktur-Interaktion (FSI)

Abstract

To ensure thermal comfort for passengers in metro vehicles, the entire HVAC system (Heating, Ventilation and Air Condition) is calculated and optimized using numerical simulations. Movable weather protection flaps are installed in the air ventilation channel system. These open or close the channel depending on the pressure difference between the interior of a carriage and the environment, thus ensuring the extraction of air while at the same time protecting the interior of a train from the ingress of the dust. Since the motion of the flap is affected by the fluid motion, we speak here of Fluid- Structure-Interaction.This present study focuses on the analysis of the interaction between the channel air flow and the above-mentioned-flap. In general, for such fluid-structure-interaction problems, both the equations of flap motion as well as the equations of fluid dynamics must be solved (simultaneously or successively). In this thesis, we show that the FSI simulation within CFD-Software is not necessary for computation of steady states. The calculation of the characteristic curves for the two, the pressure loss coefficient and drag moment coefficient for steady flow with given flap position, gives sufficient results for steady operating conditions of the flap.The entire approach to the problem of the flap behavior within the air ventilation channel is discussed in the introduction part. In the second chapter of the thesis, the equations of motion for a solid and the basic equations for an incompressible flow are presented. Some appropriate modeling approaches to FSI applications are described. In addition, there are descriptions of some models for the treatment of turbulent flows.With the assumption of a fixed flap, the series of 2D and 3D stationary simulations are carried out in the third chapter of the thesis in order to determine the pressure drop curve and the flow moments acting on the rigid flap. Characteristic curves for the steady-state condition of the flap are determined by the help of non-dimensional values. Furthermore, a transient analysis on stability and vibrations of the flap motion is conducted. The natural frequency of the flap is found to be three times lower than the vortex-shedding frequency. It could be found from the behavior of the flap in the full FSI simulation that the flap actually undergoes the vortex-induced vibrations. The decay of the flap motion in the vertical direction is represented by a damped spring-mass model.In the final chapter, the conclusion and outlook of the thesis are discussed.

Für die Sicherstellung des thermischen Komforts im Fahrgastraum einer Metro wird das gesamte HVAC-System (engl. für Heizungs-, Lüftungs- und Klimasysteme) mithilfe numerischer Simulationen berechnet und optimiert. Im Fortluftkanalsystem sind mitunter bewegliche Wetterschutzklappen installiert, die den Kanal automatisch öffnen oder verschließen, je nach der Druckdifferenz zwischen dem Innenraum des Wagenkastens und der Umgebung. Dadurch wird das Ausblasen der Abluft in die Umgebung gewährleistet, während gleichzeitig der Fahrgastraum vor der Staubeindringung geschützt wird. Da die Bewegung der Luftklappe von der Luftströmung beeinflusst wird, spricht man von einer Fluid-Struktur-Wechselwirkung.In der vorliegenden Arbeit soll die Wechselwirkung zwischen der Luftströmung durch den Kanal mit der Klappe untersucht werden. Im Allgemeinen müssen bei einem solchen Fluid-Struktur-Wechselwirkungsproblem die Bewegungsgleichungen für die Klappe und die Gleichungen zur Beschreibung der Strömung simultan oder abwechselnd gelöst werden. In dieser Arbeit zeigen wir, dass für die Berechnung stationärer Zustände die Verwendung der Fluid-Struktur-Wechselwirkungsmodule in der CFD Software nicht nötig ist. Die Berechnung von Kennlinien, d.h. Druckverlustbeiwert und Momentenbeiwert, für die stationäre Strömung durch den Kanal bei vorgegebener Klappenstellung ist für die Auslegung stationärer Betriebspunkte ausreichend.Zunächst werden die Bewegungsgleichungen für einen Festkörper und die Grundgleichungen für eine inkompressible Strömung dargestellt und Ansätze zur Lösung von Fluid-Struktur-Wechselwirkungsproblemen erläutert. Zusätzlich werden einige häufig in industriellen Anwendungen verwendete Modelle zur Behandlung turbulenter Strömungen beschrieben.In Hauptteil der Arbeit wird eine Reihe stationärer 2D- und 3D-Simulationen unter der Annahme feststehender Klappe durchgeführt, um Druckverluste, sowie auf die Klappe wirkende Strömungsmomente, zu bestimmen. Mithilfe dimensionsloser Größen werden Kennlinien für die Klappe im stationären Betrieb ermittelt. Außerdem wird die Klappenbewegung durch transiente Analyse auf das Stabilitäts- und Schwingungsverhalten untersucht. Es wird errechnet, dass die Wirbelablösefrequenz dreimal so groß wie die Eigenfrequenz der Klappe ist. Ergebnisse der vollständigen FSI-Simulation zeigen, dass bei der Klappenbewegung Instabilitäten zufolge Wirbelablösungen zustande kommen. Abklingendes Verhalten der Klappenschwingung wird durch ein gedämpftes Einmassenschwinger-Modell dargestellt.