Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung eines mehrphasigen Tankmodells für die eindimensionale Hydrauliksimulation

Das Auftreten einer Luftphase in Hydrauliksystemen ist unvermeidbar und beeinträchtigt die erzielbare Leistungsfähigkeit. Eine hohe Luftabscheidung erfordert flache und breite Tanks, bei denen die Luftblasen kurze Strecken bis zur Oberfläche zurücklegen müssen. Im Gegensatz dazu stehen die möglichst kompakten und an den zur Verfügung stehenden Bauraum angepassten Tankkonzepte, die insbesondere in der Mobilhydraulik Verwendung finden. Der Bedarf der Industrie an Tanks mit möglichst kleinem Bauraum steht folglich der Anforderung eines möglichst luftfreien Öls entgegen.

Die bestehenden Lösungen zur Berechnung der Abscheiderate beruhen auf aufwendigen Simulationen und erfordern hohe Rechenkapazitäten. Ziel dieses Projekts ist daher die Entwicklung eines mehrphasigen Modells von Hydrauliktanks für 1D-Hydrauliksimulationen, um Anwendern die vollständige Integration des Tanks in den Auslegungsprozess von Hydrauliksystemen zu ermöglichen. Die vereinfachte 1D-Simulation des Tanks ist insbesondere für KMU, welche oft nicht über entsprechende CFD-Simulationskapazitäten verfügen, von großem Vorteil.

Hierzu wird das Verhalten eines Referenz-Tanks experimentell ermittelt und mit Hilfe von CFD-Simulationen erweitert. Hieraus werden ein charakteristisches Kennlinienfeld und Parameter für den Referenz-Tank generiert. Anschließend wird ein dynamisches mehrphasiges Modell des Tanks in MATLAB-Simulink implementiert. Dieses wird mit Hilfe eines zweiten Referenz-Tanks validiert. Abschließend wird ein Messprotokoll zur Generierung der benötigen Parameter für das Modell entwickelt und in einem Leitfaden festgehalten, sodass nach Projektabschluss alle erforderlichen Bausteine zur dynamischen Abbildung eines Tanks, Messmethode, Parameterfindung und Modell, zur Verfügung stehen. Das Messprotokoll und das 1D-Modell des Tanks ermöglichen den einfachen Vergleich unterschiedlicher Ausführungen und Designs, was zu neuen innovativen Lösungen und einer gestärkten Marktposition für KMUs führen wird.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Projekts „Entwicklung eines mehrphasigen Tankmodells für die eindimensionale Hydrauliksimulation“ wurde eine vollständige Methode zur Abbildung des Luftabscheideverhaltens von Hydrauliktanks auf Basis eines mathematischen Metamodells entwickelt. Diese umfasst die Datengenerierung, die Modellaufbereitung sowie deren Anwendung. Parametersätze wurden für alle in DIN 24339 enthaltenen Tankgeometrien unter Einsatz einer sinnvollen Anzahl von Trennblechen generiert.

Mit den in diesem Projekt entwickelten Modellen lässt sich die Luftabscheidung eines Tanks einfach, schnell und ohne signifikante Kosten abschätzen. Die sogenannten Tankmodelle repräsentieren den Luftanteil am Auslass des Tanks (Zielgröße) als Funktion der Einflussgrößen und Eingangsparameter. Diese lassen sich sowohl zur händischen Berechnung des Luftabscheideverhaltens eines Tanks bei vorgegebenen Betriebsbedingungen, in digitalen Zwillingen als auch im Rahmen der eindimensionalen Simulation von Hydrauliksystemen nutzen.

Die erzielten Ergebnisse dieses Projekts konnten das bisherige Fehlen aussagekräftiger Modelle und Methoden zur Abbildung des Verhaltens von Hydrauliktanks hinsichtlich der Luftabscheidung mittels der eindimensionalen Simulation oder deren direkter Berechnung ohne Notwendigkeit der vorherigen Vermessung kompensieren. Außerdem wurde im Rahmen einer Studie evaluiert, inwiefern eine Modellbildung größerer Tanks ausschließlich auf Basis der signifikantesten Merkmale des kleinsten Tanks nach DIN 24339 möglich ist. Durch das Ergebnis dieser Studie kann der große im Rahmen des Projekts betriebene Aufwand zur Modellbildung für zukünftige Arbeiten reduziert werden. Das dargelegte Messverfahren erlaubt ebenfalls die Berücksichtigung weiterer Tankgeometrien durch eigene Messungen oder CFD-Simulationen seitens der industriellen Anwender. Die Projektergebnisse können darüber hinaus der Initialisierung weiterer Forschungsprojekte dienen.