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Gekoppelte numerische Simulationen fluid-, thermo- und elektrodynamischer Prozesse

Oestreich, Robert :
Gekoppelte numerische Simulationen fluid-, thermo- und elektrodynamischer Prozesse.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2008)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Gekoppelte numerische Simulationen fluid-, thermo- und elektrodynamischer Prozesse
Language: German
Abstract:

Bei der Entwicklung technischer Geräte und Bauteile nimmt die numerische Simulation heute einen wichtigen Platz ein. Oft ist die vollständige Entwicklung eines technischen Systems mittels Simulationen dadurch eingeschränkt, daß die Komplexität des betrachteten Systems die Fähigkeiten der vorhandenen Simulationswerkzeuge übersteigt. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Kopplung von verschiedenen physikalischen Prozessen und deren numerischer Simulation. Bei technischen Anwendungen koppeln häufig elektromagnetische, thermische und fluiddynamische Prozesse miteinander. In dieser Arbeit wird ein partitionierter Ansatz zur gekoppelten Simulation gewählt. Den Ausgangspunkt bildet dabei zwei gut erprobte Simulationsprogramme. Für die Lösung des fluid- und thermodynamischen Teils wird FASTEST verwendet. Die Elektrodynamik wird mit MAFIA simuliert. Die Kopplungsschnittstelle zwischen den beiden Programmen muß folgende Aufgaben erfüllen: • Interpolation der Daten zwischen den Gittern (einschließlich des Datentransportes), • Synchronisation des Ablaufs der beteiligten Programme, • Konvergenzüberprüfung der Fixpunktiteration. Die Quellcodes von FASTEST und MAFIA wurden an die Erfordernisse der Kopplung angepaßt. Die Kopplungsschnittstelle wird auf zwei unterschiedliche Arten umgesetzt – einmal wird eine eigene Kopplungsschnittstelle entwickelt, diese wird 3Dint genannt, zum anderen wird die Bibliothek MpCCI verwendet. Im Rahmen der Entwicklung von 3Dint wurden ein Kontrollprogramm, das den zeitlichen Ablauf der beteiligten Simulationsprogramme steuert, ein Suchprogramm, das die Beziehungen zwischen den Gittern ermittelt, und ein Interpolationsprogramm implementiert. Bei der Verwendung von MpCCI muß zunächst die Bibliothek an beide vorhandenen Codes, FASTEST und MAFIA, angebunden werden. Anhand der Bewegung eines Lichtbogens zwischen zwei Kupferplatten, bei der die physikalischen Teilgebiete stark miteinander koppeln, wird das numerische Verhalten der Kopplungsschnittstellen untersucht. Drei Anwendungsbeispiele, die eine gekoppelte Betrachtung der drei physikalischen Teilgebiete der Elektro-, der Fluid- und der Thermodynamik erfordern, werden in dieser Arbeit behandelt. Zunächst wird ein wassergekühltes Kupferkabel betrachtet. Das zweite Anwendungsbeispiel ist ein Heizmodul für elektrisch leitfähige Fluide. Im dritten Anwendungsbeispiel wird die Bewegung eines Lichtbogens in einem Niederspannungsschutzschalter betrachtet.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Heat losses in electrical devices are, usually, an unwanted effect. In order to maintain the temperature within normal operation limits, these devices are often cooled by advective fluid flow. On the other hand, many electrical devices are specifically intended to for heating up a fluid. In both cases, temperature distribution, electromagnetic fields and fluid flow are mutually dependent. Mathematically, the coupling between these three phenomena represents a complex, non-linear problem which is accessible only to numerical simulations. In this work, a methodology for the simulation of thermally coupled electromagnetic field and fluid flow is presented. The large difference in the time scales between fluid- and thermodynamics on the one hand and electromagnetic fields on the other suggests the application of a weak coupling approach. In order to obtain fluid flow and electromagnetic field solutions for complex, three dimensional devices, specialized simulation codes have to be employed. The codes used in the present work are MAFIA for the electromagnetic field and FASTEST for the fluid dynamics simulations, respectively. One difficulty related with this approach is that the simulation data reside on different grids. In addition, the fluid flow simulations are based on a Finite Volume type discretization, whereas the electromagnetic field solution is obtained in the FIT formulation. Thus, data transfer and interpolation between the two simulation codes is necessary. In particular, the heat sources generated in the electromagnetic simulation have to be interpolated into the fluid flow simulation grid. Vice versa, the temperature solution must be brought to the electromagnetic grid, in order to compute the temperature dependent material properties. These tasks have been addressed to by two different implementations of the coupling interface between the fluiddynamics and the electromagnetic field solver. The newly developed coupling tool, 3Dint, generates the geometrical relationship between the simulation grids, implements the interpolation of the coupling quantities and synchronizes program execution in the transient simulation. In addition, the consistency of the transient solution is imposed by means of a fixed-point iteration which is applied in every simulation time step. For purposes of comparison, also a coupling interface based on the commercially available library, MpCCI, is implemented. The numerical performance of the proposed algorithm is investigated for the simple case of a lightning arc propagating between two parallel electrodes. In the context of this example, the numerical convergence and the stability of the coupling approach is shown. The accuracy of the algorithm with respect to the spatial and temporal discretization is investigated. In particular, the convergence orders for the different interpolation schemes used are numerically established. The method is applied in the simulation of three large technical examples of practical importance. The first example represents a water-cooled, high-current cable which is used linear accelerators. The second is a heating module with applications in the food industry. The last example is the numerical modelling of the lightning arc as it occurs in low voltage power circuit breakers.English
Uncontrolled Keywords: Numerik, Numerisches Verfahren, Wissenschaftliches Rechnen, Elektrodynamik, Feldtheorie, Elektromagnetismus
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Numerik, Numerisches Verfahren, Wissenschaftliches Rechnen, Elektrodynamik, Feldtheorie, ElektromagnetismusGerman
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:22
Last Modified: 07 Dec 2012 11:54
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-9906
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Weiland, Prof. Dr.- Thomas and Schäfer, Prof. Dr.- Michael
Refereed: 30 August 2007
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/990
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