title: A Thermal Analysis of Engine Components performed on a Turbocharger
Creators: name: Diemath, Andreas
Publisher: name: FH CAMPUS 02 (CAMPUS 02 Fachhochschule der Wirtschaft)
Year: 2023
Subjects: subject: 629 Andere Fachrichtungen der Ingenieurwissenschaften

description: In der frühen Konzept- oder Konstruktionsphase eines neuen Produktes wird die Simulation und Analyse in die Entwicklung mit einbezogen, um wichtige Produktentscheidungen durch virtuelle Versuche abzusichern. Dieser Vorgang ist auch unter dem Begriff Frontloading bekannt. Die neuesten Anforderungen in der Auslegung von Turboladern erfordern tiefere Einblicke in die Bewertung der Rotordynamik. Dabei sind Mehrkörperberechnungsprogramme ein geeignetes Werkzeug zur Modellierung von Phänomenen wie z.B der Rotorunwucht und deren Auswirkung auf die Lebensdauer der Gleitlager. In Kombination mit der numerische Strömungssimulation, die dabei als Randbedingungslieferant für die Mehrkörperdynamikberechnung dient, soll eine neue Berechnungsmethodik untersucht werden. In dieser Arbeit wird primär die Berechnungsmethodik für das Zusammenwirken zwischen Gasströmung, Festkörper- und Mehrkörperdynamik untersucht und bewertet. Zum Einsatz kommt dabei das multimaterialfähige Simulationstool AVL FIRE M. Technische Schwerpunkte der Untersuchung sind die Gebiete Gasströmung und Festkörper, im Speziellen die thermische Dynamik der Wärmeleitung zwischen den Berechnungsgebieten. Zielsetzung ist die Etablierung einer neuen Berechnungsmethodik, sowie die Untersuchung des Zusammenspiels von Festkörper und Gasströmung. Diese Berechnungsmethodik soll erweiterte Einblicke in die Wärmeübertragung, speziell im Bereich der Gleitlager ermöglichen, welche wiederum der Bewertung der Rotordynamik dienlich sind. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt in der Untersuchung der Berechnungsmethodik mit Bewertung dieser hinsichtlich Anwendbarkeit im Berechnungsalltag sowie der Vergleichbarkeit von Simulationsergebnissen in Bezug auf Prüfstandsergebnisse. Im theoretischen Teil wird die neue Berechnungsmethode sowie die Grundlagen dazu erarbeitet. Des Weiteren wird auch eine Einführung in das Thema der modellgestützten Entwicklung gegeben und der Bogen zu bereits existierende Berechnungsmethodiken gespannt. Die Kriterien zur Bewertung der Methodik werden auch in diesem Teil der Arbeit behandelt. Die wichtigsten beschreibenden Gleichungen zur Abbildung der physikalischen Problemstellung sollen ebenfalls kurz beschrieben werden. Im praktischen Teil der Arbeit wird die neue Berechnungsmethode einerseits in Bezug auf Anwendbarkeit im Simulations- bzw. Berechnungsalltag durch Anwender im Unternehmen und andererseits hinsichtlich der bereits erwähnten Belastbarkeit in Bezug auf Prüfstandsergebnisse bewertet. Zu diesem Zweck werden einzelne Betriebspunkte gewählt und zur Bewertung herangezogen.
description: In the early stages of the conceptual and the design phases of a new product simulation is involved in the decision making process, even before any prototyping is done. This concept is so-called front loading. Designing a new turbocharger for example requires better understanding of the rotor-dynamics. Multi-body dynamics simulation (MBD) is a suitable tool to investigate phenomena, e.g. rotor imbalance, which has a vast impact on the durability of bushing bearings. Combining multi-body dynamics simulation and computational fluid dynamics (CFD), the CFD supplies important boundary conditions for MBD, which is a new simulation methodology investigated in this thesis. The simulation tool AVL FIRE M with its multi-material capability is being used for this investigation. One of the most important fields related to this objective is the heat transfer analysis with special focus on the thermal dynamics of the heat flow within the turbocharger. Since CFD simulation is already a well established tool in product development and especially in the component design phase, this novel simulation approach is offering an alternative method to the conventional fluid-solid coupling which is usually used to calculate temperature distribution in solid structure and stress analysis. This proposed approach represents the simulation of heat transfer within the turbocharger structure and its parts by considering the solid and fluid parts of the turbocharger as a multi-domain and multi-material simulation model. The theoretical part builds up the fundamentals to the engineering background and the physical modelling. Furthermore, the basic essentials of workflow and the general evaluation process are introduced, which should form a transition between engineering outcome, usablity and user’s acceptance of the novel simulation approach. In the evaluation part of the thesis the gathered results are presented and summarized. The engineering outcome as well as the workflow and methodology of such kind of simulations are discussed. Finally, the summary presents all pillars of the evaluation process and an additional outlook is given as a reflection of the presented workflow. It provides recommendations for further improvement and gives suggestions for future investigations. The presented methodology proves to be a next level approach in prediction of turbocharger simulation in the product development process.