Numerische Simulation und Optimierung eines Versuchstands zur Bewertung von Airbag-GasgeneratorenM.Sc. K. Mucha, Prof. Dr. -Ing. P. Bartsch, Beuth Hochschule für Technik Berlin

Dr. rer. nat. A. Spille-Kohoff, CFX Berlin Software GmbH Dipl.-Ing. (FH) S. Kutschenreuter, Takata-Petri AG

Aufgabenstellung

Ein Airbag-Gasgenerator erzeugt einen zeitlich variierenden Massenstrom, der zur Auslegung des Airbags bekannt sein muss. Zu diesem Zweck wird der Massenstrom

aus dem Genera-tor in eine Schub-düse umgeleitet und die resultie-rende Schubkraft gemessen .Der gesuchte Massen-strom ergibt sich dann aus dem Im-pulssatz.

Die Schubdüsengeometrie muss so ge-staltet sein, dass die Schubkraftant-wort bis auf einen Zeitversatz dem ein-strömenden Massenstrom entspricht. Darüber hinaus ist der thermodyna- mische Zustand im Austrittsquerschnitt der Schubdüse von besonderem Interesse.

Die Optimierung geschieht unter Verwen-dung von OpenFOAM® und ANSYS CFD. Dafür müssen jeweils geeignete Parame-ter identifiziert werden, die Ergebnisse wer-den verglichen. Eine stationäre Simulation mit ANSYS CFX zum Zeitpunkt der größt-

möglichen Gaseinströmung zeigt (Abb. 2), welche maximalen Werte in der transien-ten Simulation zu erwarten sind.

Transiente Simulation• Zeitbereich: 0 - 0,1s• Schrittweite: 10-5 s• Konvergenzkriterium: 10-3 (Max)• Anzahl Knoten: 354.073• Material: Air Ideal Gas• Einlass-Randbedingung: Massenstrom• Turbulenz: Shear Stress Transport• Diskretisierungsverfahren: räumlich und zeitlich: zweiter Ordnung

• Turbulenz: erster Ordnung

Weitere Aufgaben• Validierung der Ergebnisse durch weite-re Simulationen und Vergleich mit Mess-werten.

• Optimierung der Schubdüse so, dass der Massenstrom an der Mündung dem Verlauf des Eintritts-Mas-senstroms folgt (siehe Abb. 3).

• Vergleich der Ergebnisse der Simulation mit den Ergebnissen alternativer CFD-Verfahren.

Ergebnisse mit ANSYS CFX

Evaluation von OpenFOAM®Numerische Parameter• Vergleich zwischen räumlichen Diskreti-sierungen erster und zweiter Ordnung.

• Vergleich zwischen verschiedenen Matrixlösern.

• Untersuchung verschiedener Randbedin-gungen, insbesondere für den Auslass-Bereich, mit dem Ziel das Ausströmge-biet zu verkleinern.

• Untersuchung des Einflusses schlechter Gitterwinkel auf die Lösungsqualität.

• Vergleich verschiedener Vernetzungs-Tools.

• Anpassung der Energiebilanzen ausge-wählter Löser an hohe Geschwindigkei-ten.

Auswahl der LöserZur Wahl stehen druckbasierte Löser (rho-PimpleFoam, rhoSonicFoam) sowie ein dichtebasierter Solver (rhoCentralFoam).

Weitere AufgabenDa rhoCentralFoam am vielversprechen-sten scheint, werden weitere Testrech- nungen in 3D benötigt:

• Erstellen einer transienten Simulation auf Grundlage bisheriger Ergebnisse

• Validierung der Ergebnisse• Ausbau des Modells

Abb. 1: Schubmessaufbau Abb. 2: Stationäre Simulation mit ANSYS CFX (3D)

Abb. 3: Vergleich des Eintritt-Massenstroms mit der Massenstromkurve an der Mündung der Schubdüse

Abb. 4: Vergleich der Berechnungen nach 0.002 s (2D)

Abb. 5: Mittelwerte über die Mündung im zeitlichen Verlauf (2D)

OpenFOAM® ist eine eingetragene Marke der OpenCFD Limited

Abb. 6: Vergleich rhoCentralFoam mit ANSYS CFX (3D)