Einsatz von Computational Fluid Dynamics (CFD) in der Kühlsystementwicklung

Für die Entwicklung von Wärmeübertragern und Kühlsystemen ist die dreidimensionale numerische Strömungssimulation (Computational Fluid Dynamics CFD) ein unverzichtbares Entwicklungstool. CFD ermöglicht detaillierte Einblicke in die lokalen Strömungsverhältnisse und Wärmeübergänge und liefert damit wertvolle Ergebnisse für die Komponenten- und Systementwicklung. CFD-Simulationen werden z.B. eingesetzt, um die Leistung von Kühlern im Fahrzeug zu steigern oder um die Temperaturen in der Leistungselektronik zu minimieren, was die Lebensdauer erhöht und vor Ausfällen schützt. Eine besondere Herausforderung ist die Betrachtung von zweiphasigen Wärmeübergängen, wie sie z.B. im Kondensator und Verdampfer der Klimaanlage (HVAC, Wärmepumpe) auftreten.

Einsatz von CFD für die Entwicklung der Kühlernetz-Bauteile Rohre und Lamellen

Leistung und Druckverlust eines Kühlers hängen maßgeblich ab von den eingesetzten Rohren und Lamellen. Der konstruktive Parameterraum (Wandstärke, Rohr-/Lamellenhöhe und -breite, FinPitch, Dimple-Geometrie, Kiemenwinkel, …) ist extrem groß. Zudem müssen für die Ermittlung der lokalen Wärmeübergänge die sehr filigranen Bauteil-Strukturen sehr fein aufgelöst werden, was zu sehr großen CFD-Modellen führt. Es ist hier sehr viel Erfahrung und Know-How in der CFD-Modellierung und Netzgenerierung erforderlich, um mit handhabbaren CFD-Modellen und vertretbarem Rechenaufwand quantitativ gute Rechenergebnisse zu erhalten, Bilder 1, 2.

Einsatz von CFD für die Entwicklung von Wärmeübertragern

Die CFD-Ergebnisse mit Charakterisierung der Wärmeübergänge und Druckverluste der Rohre und Lamellen werden in ein CFD-Modell des realen Kühlers eingebunden. Im CFD-Modell des Kühlers werden dann die Druckverluste der Wasserkästen sowie deren Einflüsse auf die Inhomogenität der Durchströmung ebenso berechnet wie die Auswirkungen auf das Leistungs-Kennfeld des realen Kühlers, Bilder 3, 4.

Bei einer Leistungselektronik ist mit Hilfe der CFD-Rechnung das Temperaturfeld in der Kontaktfläche des Chips berechenbar und aus dem inhomogenen Wärmefluss innerhalb des Halbleiters die Temperatur in der Sperrschicht, T_Junction, ermittelbar. Diese Junction-Temperatur ist relevant für die Bewertung von Alterung, Lebensdauer und Ausfallrisiko der Elektronik, Bild 5, 6.

Einsatz von CFD für die Entwicklung des Kühlmoduls

In einem Kühlmodul beeinflussen sich die verschiedenen Wärmeübertrager über die luftseitige Verschaltung gegenseitig. Zudem erzeugt der Lüfter ein inhomogenes Strömungsfeld, welches bei geringen Fahrgeschwindigkeiten zudem das Risiko einer Ausbildung von Rückströmungen begünstigt.

Die CFD-Simulation ermöglicht die Beurteilung der Durchströmung des rotierenden Lüfterrades. Zudem zeigen die CFD-Ergebnisse insbesondere Bereiche auf, in denen Leckageströmungen und/oder heiße Rückströmungen im Kühlmodul auftreten und liefern dadurch konstruktive Hinweise für luftseitige Optimierungen, Bilder 7, 8:

 

• Wo gibt es Leckageströmungen? Wo müssen Abdichtungen eingebracht werden?
• Wie beeinflussen sich Kühler und Lüfter? Wo muss der Lüfter idealerweise positioniert werden?
• Wo müssen Rückschlagklappen in der Lüfterzarge integriert werden? Wie müssen diese dimensioniert werden?

Einsatz von CFD für die Integration des Kühlmoduls in den Fahrzeugvorderwagen

Die Einbauumgebung des Kühlmoduls im Fahrzeug und die Fahrgeschwindigkeit haben einen großen Einfluss auf den Kühlluftdurchsatz und dessen Verteilung auf die verschiedenen Wärmeübertrager. Die CFD-Simulation quantifiziert die Einflüsse von Stoßfänger und Kühlergrill auf die Kühlmodul-Anströmung sowie die Verblockung der Abströmung hinter dem Kühlmodul durch die Antriebsaggregate im Fahrzeugvorderwagen, Bilder 9, 10. Diese wiederum haben einen großen Einfluss auf den Lüfter, der oftmals infolge der Verblockung sehr inhomogen durchströmt wird, was wiederum die Ausbildung von Rückströmungen stark begünstigt. Der Abbildung des drehenden Lüfters kommt daher im CFD eine besondere Bedeutung zu.

Wir bilden den Lüfter in der Regel durch ein rotierendes lokales Koordinatensystem ab, in dem die Lüfterflügel relativ zum statischen CFD-Netz der Kühlluftführung drehen. Zudem wird die Außenkontur des Fahrzeuges mit abgebildet (Außen-Aerodynamik), damit die inhomogene Luftströmung in den Ein- und Austrittsöffnungen und damit der dominante Einfluss der Fahrgeschwindigkeit richtig abgebildet werden. Die Ergebnisse der CFD-Rechnungen im Hinblick auf die inhomogene Strömungsgeschwindigkeit und Lufttemperatur an den Kühlerfronten finden dann Eingang in den Abgleich der 1d-Fahrzeugsimulation.

Integration von CFD in den Entwicklungsprozess bei TheSys

Bei TheSys setzen wir CFD im gesamten Themen-Spektrum der Fahrzeug-Thermomanagement-Entwicklung ein: Zur Optimierung von Turbulenzeinlagen und Rohren, für Kühleroptimierungen und Kühlmodul-Abstimmungen, bis hin zur luftseitigen Durchströmung des Fahrzeugvorderwagens.
Durch Koppelung mit unseren anderen numerischen Simulationsmethoden auf 0d-, 1-d und Co-Simulations-Ebene liefern die CFD-Ergebnisse tragfähige Leistungsprognosen für die 1d-Simulation und konkrete Hinweise für konstruktive Optimierungen des Kühlsystems im Fahrzeug.