DE102015217177A1

DE102015217177A1 - Transiente TBS-Berechnung des Gesamtfahrzeugs, Standardlastfälle und Nachheizen

Info

Publication number: DE102015217177A1
Application number: DE102015217177.9A
Authority: DE
Inventors: Mahmoud-Reza Maneshkarimi
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2015-09-09
Filing date: 2015-09-09
Publication date: 2017-03-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur konstruktiven Designoptimierung eines Fluidsystems, insbesondere eines Motorraums eines Fahrzeugs, mit einem rotierenden Bauteil, insbesondere einem Lüfter, folgende Arbeitsschritte aufweisend: Bereitstellen eines dreidimensionalen Modells des Fluidsystems; erstes Berechnen einer ersten Temperaturverteilung und eines ersten Massenstroms, insbesondere einer Temperaturverteilung, eines Fluids in einem rotierenden Bauteil des Fluidsystems, insbesondere unter Vorgabe einer ersten Periodizität, ersten Gitterpunkten einer Geschwindigkeit des Fluids und/oder einer Temperatur des Fluids an einem Einlass und/oder Auslass des rotierenden Bauteils, mittels einer räumlich aufgelösten transienten ersten Simulation auf der Grundlage des dreidimensionalen Modells, insbesondere einer Sliding-Mesh-Simulation; Summieren von Werten der ersten Temperaturverteilung und/oder des ersten Massenstroms in jeweils einem Gitterpunkt zu verschiedenen Berechnungszeitpunkten der ersten Simulation über einen jeweils vorgegebenen Zeitraum; Mitteln der summierten ersten Temperaturverteilung und/oder des summierten ersten Massenstroms in dem jeweils einen Gitterpunkt der ersten Simulation über den vorgegebenen Zeitraum; Ausgeben eines Temperaturfelds auf der Grundlage der gemittelten ersten Temperaturverteilung und eines Massenstromfelds des Fluids auf der Grundlage des ersten Massenstroms oder des gemittelten ersten Massenstroms wenigstens für einen Auslass des rotierenden Bauteils; zweites Berechnen einer zweiten Temperaturverteilung und eines zweiten Massenstroms des Fluids für wenigstens einen anderen Teil des Fluidsystems, insbesondere unter Vorgabe einer zweiten Periodizität, zweiten Gitterpunkten, einer initialen Temperatur des Fluids und/oder einer initialen Geschwindigkeit des Fluids, mittels einer räumlich aufgelösten transienten zweiten Simulation, insbesondere einer CFD-Simulation, auf der Grundlage des dreidimensionalen Modells, wobei das Temperaturfeld und das Massenstromfeld wenigstens am Auslass des rotierenden Bauteils als konstante Randbedingungen in die zweite Simulation eingehen; und Ausgeben der zweiten Temperaturverteilung und/oder des zweiten Massenstroms in der Weise, dass auf deren Grundlage ein Design des rotierenden Bauteils und/oder des wenigstens einen anderen Teils des Fluidsystems optimierbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur konstruktiven Design-optimierung eines Fluidsystems mit einem rotierenden Bauteil, insbesondere eines Motorraums eines Fahrzeugs auf der Grundlage eines dreidimensionalen Modells.
Zur Optimierung von Konstruktionen in Bezug auf Bauteilerhitzung und thermische Verformung im Motorraum sowie Designoptimierung von weiteren Bereichen eines Fahrzeugs, welche der durch eine Verbrennungskraftmaschine erzeugte Wärme ausgesetzt sind, wird die CHT-Analyse (Conjugate Heat Transfer) immer wichtiger. Transiente 3D-CFD Berechnungen machen es möglich, Wärmeströme und ihre räumliche Orientierung während des transienten Maschinenbetriebs zu bestimmen. Diese Ergebnisse ermöglichen beispielsweise Vorhersagen in Bezug auf Spitzentemperatur bei maximaler Belastung in Bezug auf verschiedene Betriebszustände, welche die Grundlage für die Auslegung der Bauteile und die Hitzeabschirmung bei der Konstruktion eines Fahrzeugs bilden.
Ein Nachteil der transienten CHT-Analyse bilden die hohen erforderlichen Rechnerleistungen bzw. lange Berechnungszeiten. Sind rotierende Bauteile in dem Fluidsystem vorhanden, so muss zusätzlich die Strömung in diesen rotierenden Bauteilen bei der Analyse berücksichtigt werden. Wird ein solches rotierendes Bauteil transient modelliert, beispielsweise mit einer transienten Sliding-Mesh-Simulation, so sind die Berechnungszeiten für die Simulation in der Praxis nicht mehr darstellbar. Beispielsweise wird für eine komplette Sliding-Mesh-Simulation von 40 Umdrehungen eines Lüfters mit einer Periodizität von 0,1 ms je nach Rechenleistung zwei bis drei Tage Berechnungszeit benötigt. Dies entspricht gerade einmal einem realen Gesamtzeitraum von nur 0,2 s.
Ein bisheriger Ansatz bei der Simulation eines Fluidmodells besteht darin, die Temperaturverteilung in dem rotierenden Bauteil durch ein stationäres MRF-Modell (Multiple Reference Frame) zu ersetzen und die aus diesem resultierenden Randbedingungen in eine CHT-Analyse des übrigen Fluidsystems einfließen zu lassen. Hierbei ist die Temperaturverteilung ungenau und hinsichtlich der Temperaturspitzen verdreht.
Die EP 2 009 563 A1 betrifft ein Verfahren zur rechnergestützten Ermittlung eines Klimatisierungssystems zur Kühlung einer technischen Anlage bei dem a) Parameter der technischen Anlage und Parameter betreffend einen Raum, in dem die technische Anlage aufzustellen ist, bereitgestellt werden; b) für mehrere Klimatisierungssysteme, welche durch jeweilige Klimatisierungsparameter charakterisiert sind, jeweils die Wärmeverteilung der technischen Anlage auf der Basis der Parameter der technischen Anlage, der Raumparameter und der jeweiligen Klimatisierungsparameter simuliert wird; c) auf der Basis der simulierten Wärmeverteilungen unter Berücksichtigung von Klimatisierungsvorgaben aus den mehreren Klimatisierungssystemen dasjenige ermittelt wird, welches in Bezug auf ein oder mehrere vorbestimmte Kriterien optimal ist und die Klimatisierungsvorgaben erfüllt.
Die CN 103226635 A offenbart die Verwendung einer Sliding-Mesh-Analyse eines instationären Strömungsfelds eines sich drehenden Impellers.
Die EP 2 813 958 A1 offenbart ein Verfahren zur Bereitstellung eines CFD-Modells eines vierkomponentigen Produkts, welches eine Vielzahl von individuellen Komponenten zur Simulation aufweist, wobei das Verfahren ein Bereitstellen eines vereinfachten Modells unter Benutzung eines vereinfachten Strömungshindernisses anstatt ein oder mehrerer Komponenten in dem Modell, ein Lösen des vereinfachten Modells und ein Benutzen der Lösung des vereinfachten Modells, um Modulierungsdaten durch das Bereitstellen von Startwerten für eine Strömung in der Simulation des CFD-Modells hinzuzufügen.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur konstruktiven Designoptimierung bereitzustellen, um thermische Belastungen an wenigstens einem Bauteil, welches mit einem Fluidsystem zusammenwirkt, oder das Fluidsystem selbst zuverlässig und mit überschaubaren Zeitaufwand zu charakterisieren und gegebenenfalls in einem weiteren Schritt zu optimieren.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Datenverarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen werden in den Unteransprüchen beansprucht. Der Wortlaut der Ansprüche wird unter ausdrücklicher Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur konstruktiven Designoptimierung eines Fluidsystems, insbesondere eines Motorraums eines Fahrzeugs und weist vorzugsweise mehrere der folgenden Arbeitsschritte auf: Bereitstellen eines dreidimensionalen Modells des Fluidsystems; erstes Berechnen einer ersten Temperaturverteilung und eines ersten Massenstroms, welcher insbesondere in Form einer Geschwindigkeitsverteilung gegeben ist, eines Fluids in einem rotierenden Bauteil des Fluidsystems, insbesondere unter Vorgabe einer ersten Periodizität, ersten Gitterpunkten einer Geschwindigkeit des Fluids und/oder einer Temperatur des Fluids an einem Einlass und/oder an einem Auslass des rotierenden Bauteils, mittels einer räumlich aufgelösten transienten ersten Simulation auf der Grundlage des dreidimensionalen Modells, insbesondere einer Sliding-Mesh-Simulation; Summieren von Werten der ersten Temperaturverteilung und/oder des ersten Massenstroms in jeweils einem Gitterpunkt zu verschiedenen Berechnungszeitpunkten der ersten Simulation über einen jeweils vorgegebenen Zeitraum; Mitteln der summierten ersten Temperaturverteilung und/oder des summierten ersten Massenstroms in dem jeweils einen Gitterpunkt der ersten Simulation über den vorgegebenen Zeitraum; Ausgeben eines Temperaturfelds auf der Grundlage der gemittelten ersten Temperaturverteilung und eines Massenstromfelds des Fluids auf der Grundlage des ersten Massenstroms oder des gemittelten ersten Massenstroms wenigstens für einen Auslass des rotierenden Bauteils; zweites Berechnen einer zweiten Temperaturverteilung und eines zweiten Massenstroms des Fluids für wenigstens einen anderen Teil des Fluidsystems, insbesondere unter Vorgabe einer zweiten Periodizität, zweiten Gitterpunkten, einer initialen Temperatur des Fluids und/oder einer initialen Geschwindigkeit des Fluids, mittels einer räumlich aufgelösten, insbesondere stationären zweiten Simulation, insbesondere einer CFD-Simulation, auf der Grundlage des dreidimensionalen Modells, wobei das Temperaturfeld und das Massenstromfeld wenigstens am Auslass des rotierenden Bauteils als konstante Randbedingungen in die zweite Simulation eingehen; und Ausgeben der zweiten Temperaturverteilung und/oder des zweiten Massenstroms in der Weise, dass auf deren Grundlage ein Design des rotierenden Bauteils und/oder des wenigstens einen anderen Teils des Fluidsystems optimierbar ist.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Datenverarbeitungsvorrichtung zur konstruktiven Designoptimierung eines Fluidsystems, insbesondere eines Motorraums eines Fahrzeugs, welches vorzugsweise ein Mittel zum Bereitstellen eines dreidimensionalen Modells des Fluidsystems und ein Mittel zum Berechnen einer ersten Temperaturverteilung eines ersten Massenstroms, welcher insbesondere in Form einer Geschwindigkeitsverteilung angegeben ist, eines Fluids in einem Bauteil des Fluidsystems, insbesondere in einem Lüfter, unter Vorgabe einer ersten Periodizität, ersten Gitterpunkten, einem Geschwindigkeitsprofil und einem Temperaturprofil eines Fluids an einem Einlass des Bauteils mittels einer räumlich aufgelösten transienten ersten Simulation auf der Grundlage des dreidimensionalen Modells, insbesondere einer Sliding-Mesh-Simulation, aufweist. Vorzugsweise weist die Datenverarbeitungsvorrichtung des Weiteren Mittel zum Summieren von Werten jedes Berechnungszeitpunkts zur ersten Temperaturverteilung in jeweils einem Gitterpunkt der ersten Simulation über einen vorgegebenen Zeitraum und Mittel zum Mitteln der summierten ersten Temperaturverteilung in jeweils einem Gitterpunkt der Simulation in einem vorgegebenen Zeitraum auf. Des Weiteren vorzugsweise weist die Datenverarbeitungsvorrichtung Mittel zum Ausgeben eines Temperaturfelds auf der Grundlage der gemittelten ersten Temperaturverteilung und eines Massenstromfelds des Fluids auf der Grundlage des ersten Massenstroms mindestens für einen Auslass des Bauteils und sowie Mittel zum Berechnen einer zweiten Temperaturverteilung und eines zweiten Massenstroms des Fluids für wenigstens einen Teil des übrigen Fluidsystems unter Vorgabe einer zweiten Periodizität, zweiten Gitterpunkten, einer initialen Temperatur des Fluids und/oder einer initialen Geschwindigkeit des Fluids mittels einer räumlich aufgelösten, insbesondere stationären, zweiten Simulation, insbesondere einer CFD-Simulation, auf. Die CFD-Simulation wird vorzugsweise auf der Grundlage des dreidimensionalen Modells berechnet, wobei das Temperaturfeld und das Massenstromfeld wenigstens am Auslass des Bauteils als konstante Randbedingungen in die zweite Simulation eingehen. Weiter vorzugsweise weist die Datenverarbeitungsvorrichtung Mittel zum Ausgeben der zweiten Temperaturverteilung und/oder des zweiten Massenstroms auf, welche die Daten in der Weise bereitstellen, dass auf deren Grundlage ein Design des Bauteils und/oder des wenigstens einen Teil des Fluidsystems optimierbar ist.
Aus einem Massenstrom im Sinne der Erfindung lässt sich wenigstens die Masse eines Fluids ableiten, das sich pro Zeitspanne durch einen Querschnitt bewegt. Vorzugsweise gibt der Massenstrom dabei eine Geschwindigkeitsverteilung eines Fluids mit Geschwindigkeitswert (Betrag) und Geschwindigkeitsrichtung (Vektor) an, insbesondere in Gitterpunkten eines dreidimensionalen Raums an.
Ein Motorraum im Sinne der Erfindung ist vorzugsweise jener Bereich eines Fahrzeugs, welcher unter den thermischen Einfluss der von einer Brennkraftmaschine abgegebenen Wärmeenergie durch Wärmeleitung, Konvektion und/oder Strahlung steht.
Ein Temperaturfeld im Sinne der Erfindung ist eine räumliche Temperaturverteilung, welche insbesondere eine mit Temperaturwerten bedatete Fläche bildet.
Ein Massenstromfeld im Sinne der Erfindung ist eine zweidimensionale Massenstromverteilung, welche insbesondere von einer mit Massenstromwerten bedateten Fläche gebildet wird. Vorzugsweise gibt das Massenstromfeld den Strömungsgeschwindigkeitswert (Betrag) und/oder Strömungsrichtung (Vektor) der Massenstromverteilung an.
Eine initiale Geschwindigkeit des Fluids im Sinne der Erfindung ist eine Geschwindigkeit, welche durch die Umgebung des Fluidsystems vorgegeben wird, insbesondere eine Geschwindigkeit außerhalb des Fluidsystems, beispielsweise eine Geschwindigkeit eines Fahrzeugs auf der Straße oder einem Windkanal.
Eine initiale Temperatur im Sinne der Erfindung ist eine Temperatur, welche durch die Umgebung des Fluidsystems vorgegeben wird, beispielsweise eine Umgebungstemperatur des Fluids im Freien oder in einem Windkanal.
Die Erfindung basiert insbesondere auf der Erkenntnis, dass sich in einem rotierenden Bauteil eines Fluidsystems, dessen Umwelt-Randbedingungen im Wesentlichen gleichbleiben, nach einer relativ kurzen Zeit einer Aktivierung des rotierenden Bauteils und/oder einer Änderung der Umwelt-Randbedingungen ein stationärer Zustand des Massenstroms und der Temperaturverteilung des rotierenden Bauteils einpendelt. Daher kann das rotierende Bauteil in der Gesamtsimulation des Fluidsystems nach Erreichen des stationären Zustands mittels eines stationären Temperaturfelds und eines stationären Massenstromfelds als konstante Randbedingungen in dem Fluidsystem angenommen werden.
Durch das Ersetzen eines transient simulierten Massenstroms und einer transient simulierten Temperaturverteilung des rotierenden Bauteils durch stationäre Randbedingungen anhand der durch die erste transiente Simulation gewonnenen Daten wird die Physik des rotierenden Bauteils sehr genau abgebildet. Hierdurch kann die Berechnungszeit einer Simulation und daher die Zeit zwischen einzelnen Optimierungsschritten von Bauteilen im Bereich des Fluidsystems bzw. des Fluidsystems selbst wesentlich verkürzt werden bzw. die eingesetzte Rechenkapazität verringert werden.
Insbesondere die sogenannte Temperaturverdrehung durch das rotierende Bauteil kann mittels der Erfindung sehr realistisch abgebildet werden. Mittels der Erfindung kann daher, insbesondere in einer frühen Entwicklungsphase eines Produkts eine realistische Temperaturlandkarte zur Spezifizierung thermisch kritischer Bauteile erfolgen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dieses dynamisch ausgeführt und die erste Temperaturverteilung und der erste Massenstrom des Fluids werden wenigstens dann neu berechnet, wenn sich das initiale Geschwindigkeitsprofil des Fluids oder das Geschwindigkeitsprofil des Fluids am Einlass des rotierenden Bauteils ändert. Eine Veränderung dieses Geschwindigkeitsprofils zieht eine Veränderung der Temperaturverteilung des Massenstroms in dem rotierenden Bauteil nach sich, welche auch die als stationäre Randbedingungen angenommenen Temperaturfeld und Massenstromfeld verändert. Daher sollte in diesem Fall vorzugsweise eine Neuberechnung erfolgen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist dieses des Weiteren einen Arbeitsschritt des Anpassens, wenn sich die initiale Temperatur des Fluids oder die Temperatur des Fluids am Einlass des rotierenden Bauteils ändert, des Temperaturfelds des rotierenden Bauteils auf. Dies geschieht vorzugsweise unter Berücksichtigung der aus dem rotierenden Bauteil ausströmenden Wärme Q auf der Grundlage der ersten Temperaturverteilung, wobei sich eine Abkühlung des rotierenden Bauteils insbesondere zum Auslass ausbreitet. Diese vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beruht insbesondere auf der Erkenntnis, dass der Massenstrom bei einer Veränderung der Temperatur des Fluids am Einlass, zum Beispiel wenn der Motor eines Fahrzeugs ausgeschaltet ist und der Kühler keine Wärme oder weniger Wärme abgibt, sich nicht ändert. Daher kann eine am Einlass einsetzende Abkühlung des rotierenden Bauteils im Wesentlichen linear durch das gesamte Bauteil fortgesetzt werden und eine Veränderung des ausgegebenen Temperaturfelds am Auslass des rotierenden Bauteils mit relativ einfachen Mitteln berechnet werden. Dichteänderungen, etc. führen zu einer Unschärfe von etwa 1% und können daher vernachlässigt werden. Durch diese vorteilhafte Ausgestaltung kann eine Simulation und die daraus erfolgende Optimierung bei stationärer Bedingung (gleicher Massenstrom, veränderte Temperatur des Fluids) wesentlich vereinfacht werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist dieses des Weiteren einen Arbeitsschritt des Berechnens, wenn sich die Temperatur des Fluids am Einlass ändert, einer dritten Temperaturverteilung und eines dritten Massenstroms für den wenigstens einen anderen Teil des Fluidsystems mittels einer räumlich aufgelösten transienten dritten Simulation auf der Grundlage des dreidimensionalen Modells, der zweiten Temperaturverteilung, des zweiten Massenstroms des Fluids und/oder des Temperaturfelds und das Massenstromfelds wenigstens am Auslass des rotierenden Bauteils. Des Weiteren weist diese Ausgestaltung vorzugsweise des Weiteren einen Arbeitsschritt des Ausgebens der dritten Temperaturverteilung und/oder des dritten Massenstroms in der Weise, dass auf deren Grundlage ein Design des rotierenden Bauteils und/oder des wenigstens einen anderen Teils des Fluidsystems optimierbar ist, auf.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist dieses des Weiteren einen Arbeitsschritt des Berechnens, wenn das rotierende Bauteil deaktiviert wird, der dritten Temperaturverteilung und des dritten Massenstroms des Fluids für das rotierende Bauteil und für den wenigstens einen anderen Teil des Fluidsystems mittels der räumlich aufgelösten transienten dritten Simulation auf der Grundlage des dreidimensionalen Modells, der zweiten Temperaturverteilung, des zweiten Massenstroms des Fluids und/oder des Temperaturfelds und des Massenstromfelds wenigstens am Auslass des rotierenden Bauteils, auf. Des Weiteren weist auch diese Ausgestaltung vorzugsweise des Weiteren einen Arbeitsschritt des Ausgebens der dritten Temperaturverteilung und/oder des dritten Massenstroms in der Weise, dass auf deren Grundlage ein Design des rotierenden Bauteils und/oder des wenigstens einen anderen Teils des Fluidsystems optimierbar ist, auf.
Diese vorteilhafte Ausgestaltung basiert insbesondere auf der Erkenntnis, dass in diesem Fall durch das rotierende Bauteil keine Strömung mehr erzeugt wird und eine transiente erste Simulation dieses rotierenden Bauteils nicht mehr notwendig ist. Allerdings können der Massenstrom und die Temperaturverteilung nun nicht mehr durch konstante Randbedingungen ersetzt werden, sondern fügen sich in die dritte Temperaturverteilung und den dritten Massenstrom des wenigstens einen Teils des übrigen Fluidsystems nahtlos ein.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist dieses des Weiteren Arbeitsschritte des Veränderns von konstruktiven Parametern oder Steuerparametern des wenigstens einen rotierenden Bauteils und/oder des Fluidsystems auf der Grundlage der zweiten Temperaturverteilung und/oder des zweiten Massenstroms, und/oder des Generierens eines weiteren dreidimensionalen Modells mit neuen konstruktiven Parametern auf der Grundlage der zweiten Temperaturverteilung und/oder des zweiten Massenstroms, und des Ausgebens wenigstens der geänderten Parameter des Bauteils und/oder des Fluidsystems bzw. des weiter zu behandelnden dreidimensionalen Modells, auf.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Optimierung des rotierenden Bauteils und/oder des Fluidsystems wenigstens eine weitere Randbedingung berücksichtigt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens bleibt beim Summieren von Werten ein anfänglicher instationärer Zustand der ersten Temperaturverteilung außer Betracht, bevorzugt ein Zeitraum von 0,1 Sekunden, besonders bevorzugt von 0,2 Sekunden und am bevorzugtesten von 0,3 Sekunden. Hierdurch kann die Genauigkeit des Temperaturfelds und des Massenstromfelds noch erhöht werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beträgt die erste Periodizität zwischen 0,001 Sekunden und 0,00001 Sekunden, bevorzugt 0,0001 Sekunden.
Die in Bezug auf die im Vorstehenden beschriebenen Aspekte der Erfindung und die dazugehörige vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens offenbarten Merkmale und Vorteile gelten auch für den Aspekt der erfindungsgemäßen Vorrichtung entsprechend.
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung sowie weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren.
Es zeigen:
1 eine Visualisierung einer Temperaturverteilung eines Lüfters, welche mit einem MRF-Ansatz moduliert wurde;
2a und 2b eine Temperaturverteilung desselben Lüfters, aus 1, welche mit einem Sliding-Mesh-Ansatz moduliert wurde;
3 den Querschnitt eines Fahrzeugs, in welchem insbesondere die von der Wärmeabstrahlung einer Verbrennungskraftmaschine betroffenen Bereiche des Fahrzeugs dargestellt sind;
4 den Querschnitt eines Fahrzeugs aus 3, in welchem die Temperaturen der Luft in dem durch das Fahrzeug gebildeten Fluidsystem visualisiert wurden;
5 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
6 eine teilweise schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Motorraums 1 eines Fahrzeugs 3 beschrieben, dessen Temperaturverteilung insbesondere durch den Wärmeeintrag einer Verbrennungskraftmaschine 7 bzw. deren Kühler 2 sowie den durch einen Lüfter 4 als rotierendes Bauteil und gegebenenfalls den Fahrtwind als initialer Luftgeschwindigkeit erzeugten Massenstrom bestimmt wird. Ein solches Fahrzeug 3 ist beispielhaft in 1 dargestellt.
Das Fluidsystem 1 besteht hierbei aus allen offenen Bereichen in und um das Fahrzeug, welche mit einem Motorraum 1 des Fahrzeugs verbunden sind. Der Lüfter 4 weist vorzugsweise einen Einlass 5, d. h. jene Fläche des Lüfters 4 in Fahrtrichtung des Fahrzeugs, sowie einen Auslass 6, d. h. jene Fläche auf der gegenüberliegenden Seite des Lüfters 4, aus welcher ein durch den Lüfter erzeugter Massenstrom austritt, auf.
Wie eingangs erläutert, ist es bekannt, zur Vereinfachung einer CHT-Analyse eines Fluidsystems, das gesamte rotierende Bauteil 4, beim Fahrzeug der Lüfter, durch ein MRF-Modell anzunähern, bei welchem das Rotationselement, beispielsweise der Rotor eines Lüfters, an einer fixen Position festgehalten wird. Diese Methode wird deshalb auch oft Frozen-Rotor-Methode genannt. Hierbei werden die Erhaltungsgleichungen für den Rotor in einem rotierenden Bezugssystem mit den auftretenden Coriolis- und Zentrifugalkräften gelöst. Die Erhaltungsgleichungen für den den Rotor umgebenden Stator des rotierenden Bauteils werden in einem ruhenden Bezugssystem gelöst. Als Kopplung am Übergang zwischen rotierendem und ruhendem System wird die Stetigkeit der Geschwindigkeitskomponenten und des Drucks eingeführt. Das Strömungsfeld ist daher bei dieser Berechnungsmethode insbesondere abhängig von der relativen Position des Rotors gegenüber dem Stator.
Ein Ergebnis einer solchen Näherung durch ein MRF-Modell ist in 2a dargestellt. Verschiedene Grau-Schattierungen bezeichnen unterschiedliche Temperaturen eines Temperaturfelds TF an der Fläche, welche am Auslass 6 des Lüfters 4 liegt. Das Temperaturfeld TF stellt hierbei die Temperaturverteilung an der Fläche dar. Auch die Temperaturverteilung um den Lüfter 6 ist dargestellt.
Erfahrungsgemäß hat sich gezeigt, dass ein mittels eines MRF-Modells berechnetes Temperaturfeld TF insbesondere in Bezug auf die Temperaturspitzen des Temperaturfelds TF gegenüber den realen Bedingungen verdreht ist. Daher muss ein Berechnungsingenieur das Temperaturfeld TF nach seinen Erfahrungswerten manuell drehen, um auftretende Ungenauigkeiten wenigstens geringfügig zu korrigieren. Ein auf diese Weise korrigiertes Temperaturfeld TF des Lüfters 6 wird in 2b dargestellt. Die Legenden mit Temperaturen zu den jeweiligen Grau-Skalierungen in 2a und 2b sind im unteren Bereich der 2 dargestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren 100 und die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 werden in Bezug auf einen Motorraum 1 eines Fahrzeugs 3 erläutert, welches einen Kühler 2 und einen Lüfter 4 als rotierendes Bauteil aufweist. Für den Fachmann ist es jedoch offensichtlich, dass die Erfindung auch bei ähnlichen Systemen zum Einsatz kommen kann, beispielsweise bei der Modellierung eines Lüftungssystems eines Fahrzeugs 3 oder auch bei der Modellierung bei der Turbine eines Kraftwerks.
Anhand der 3, 4 und 5 wird im Folgenden das erfindungsgemäße Verfahren 100 erläutert, welches als Blockdiagramm in 3 dargestellt ist. Als Grundlage für eine Simulation und Optimierung wird vorzugsweise zunächst ein dreidimensionales Modell 3D eines Motorraums 1 des Fahrzeugs 3 generiert und in dem erfindungsgemäßen Verfahren bereitgestellt 101. Ein solches Modell kann beispielsweise ein Strukturmodell und ein strömungsmechanisches Modell enthalten. Solche Modelle, wie sie für die CHT-Analyse verwendet werden, sind bekannt.
In einem zweiten Arbeitsschritt wird vorzugsweise eine erste Temperaturverteilung TV₁ und ein erster Massenstrom MS₁ der durch den Kühler 2 erhitzten Luft in dem Lüfter 4 berechnet 102. Hierbei werden zur Modellierung vorzugsweise eine erste Periodizität zwischen einzelnen Berechnungszeitpunkten, erste Gitterpunkte und eine räumliche Auflösung der Berechnung bestimmt, sowie eine initiale Geschwindigkeit und eine initiale Temperatur der Luft in einem Einlass 5 des Lüfters 4 als Randbedingungen vorgegeben. Bei dieser Berechnung kommt vorzugsweise eine Sliding-Mesh-Simulation zum Einsatz, wie sie ebenfalls an sich aus dem Stand der Technik bekannt ist. Bei einer solchen transienten Simulation wird vorzugsweise ebenfalls ein rotierendes und ein ruhendes System verwendet. Im Gegensatz zur MRF-Simulation wird jedoch die Bewegung aufgrund der Rotation des Rotors vorzugsweise berücksichtig. Vorzugsweise sind bei dieser Berechnungsmethode die Rechengebiete am Übergang Rotor-Stator nicht zusammenhängend, so dass eine Verdrehung der einzelnen Netze möglich ist. Vorzugsweise werden die Berührungsflächen der beiden Systeme interpoliert. Abgesehen von etwaigen geringen Abweichungen aufgrund der Interpolation am Übergang gibt die Berechnung mit einer Sliding-Mesh-Simulation vorzugsweise die wirkliche stationäre Strömung und Temperaturverteilung im Lüfter 4 wieder.
Das Ergebnis einer solchen Sliding-Mesh-Simulation für einen Zeitpunkt nach 0,9165 s nach Start einer Simulation wird in 4a dargestellt. Es ist ersichtlich, dass sich die Temperaturfelder TF für diesen Zeitpunkt wesentlich von jenen mittels einer MRF-Simulation berechneten Temperaturfeldern TF der 2a und 2b unterscheiden.
In einem weiteren Arbeitsschritt werden die Werte der ersten Temperaturverteilung TV₁ und/oder des ersten Massenstroms MS₁ in jeweils einem Gitterpunkt zu verschiedenen Berechnungszeitpunkten der ersten Simulation über einen jeweils vorgegebenen Zeitraum summiert 103, und diese Summen ΣMS₁ über den vorgegebenen Zeitraum gemittelt 104.
Bei dem Summieren von Werten 103 wird ein anfänglich instationärer Zustand der ersten Temperaturverteilung TV₁ und/oder des ersten Massenstroms MS₁ vorzugsweise nicht berücksichtigt, bevorzugt ein Zeitraum von 0,1 s, besonders bevorzugt 0,2 s, am bevorzugtesten 0,3 s. Ein entsprechendes Temperaturfeld TF, welches auf diese Weise erhalten wurde, ist in 4b dargestellt. Für dieses Temperaturfeld TF wurden Temperaturwerte über einen Zeitraum von 1,02 s, welcher ungefähr 40 Umdrehungen des Rotors des Lüfters 4 entspricht, aufsummiert und gemittelt. Überraschenderweise wurde festgestellt, dass sich, solange der Motor 7 nicht abgeschaltet wird und der Lüfter 4 mit konstanter Drehzahl betrieben wird, das Temperaturfeld TF und ein entsprechendes Massenstromfeld MF an der Fläche des Auslasses 6 im Wesentlichen nicht verändern, sondern in einem quasi-stationären Zustand verbleiben.
Daher kann aus der ersten Temperaturverteilung TV_1-AV und dem ersten Massenstrom TV_1-AV ein Temperaturfeld TF und ein Massenstromfeld MF an der Fläche, welche den Auslass 6 des Lüfters 4 bildet, angegeben werden, dessen Massenstromvektoren und die dazugehörigen Temperaturskalare in weiteren Berechnungen als konstante Randbedingungen verwendet werden können. Dieses Temperaturfeld TF und das dazugehörige Massenstromfeld MF werden in einem weiteren Arbeitsschritt vorzugsweise ausgegeben 105 und zur Berechnung einer zweiten Temperaturverteilung TV₂ und eines zweiten Massenstromfelds MS₂ der Luft für wenigstens einen anderen Teil des Motorraums 1, insbesondere für den übrigen Motorraum 1 verwendet 107.
Für die Berechnung der zweiten Temperaturverteilung TV₂ und des zweiten Massenstroms MS₂ werden wiederum vorzugsweise eine zweite Periodizität und zweite Gitterpunkte vorgegeben, wobei weiter vorzugsweise eine transiente CFD-Simulation zum Einsatz kommt.
Die erste Periodizität und/oder die zweite Periodizität beträgt vorzugsweise zwischen 0,01 s und 0,001 s, bevorzugt 0,0001 s.
In einem weiteren vorzugsweisen Arbeitsschritt werden die zweite Temperaturverteilung TV₂ und/oder der zweite Massenstrom MS₂ in der Weise ausgegeben 107, dass ein Design des Lüfters 4 anhand der Daten optimiert werden kann. Durch diese Optimierung sollte sich wiederum eine günstigere Temperaturverteilung TV₂ in dem Motorraum 1 ergeben. Hierzu kann es auch notwendig sein, das Design des Motorraums 1 anzupassen. Eine mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens berechnete zweite Temperaturverteilung TV₂ wird in 5 dargestellt, wobei auch hier die jeweiligen Temperaturbereiche der Grauschattierung der Figur im unteren Bereich der Figur als Legende angegeben sind. Mit der verwendeten CFD-Simulation lassen sich im Wesentlichen alle Temperaturen im Motorraum 1 des Fahrzeugs 3, unter dem Fahrzeug 3, vor dem Fahrzeug 3, über dem Fahrzeug 3 sowie hinter dem Fahrzeug 3 und/oder neben dem Fahrzeug 3 für beliebige initiale Geschwindigkeiten der Luft am Kühler 2 mit einem vertretbaren Rechenaufwand berechnen.
Hierbei wird das Verfahren 100 vorzugsweise dynamisch ausgeführt und, wie in 3 dargestellt, die erste Temperaturverteilung TV₁ und der Massenstrom MS₁ wenigstens dann neu berechnet, wenn sich die initiale Temperatur der Luft L verändert. Auch die zweite Temperaturverteilung TV₂ und der zweite Massenstrom MS₂ werden periodisch oder bei einer Veränderung vorbestimmter Randbedingungen, insbesondere des Temperaturfelds TF oder des Massestromfelds MF oder des Geschwindigkeitsprofils, neu berechnet, um eine Dynamisierung des Verfahrens 100 zu erreichen.
Bei der Simulation des Nachheizens eines abgestellten Fahrzeugs 3 lässt vorzugsweise sich zwischen zwei Phasen unterscheiden: Ändert sich die Temperatur des Fluids am Einlass 5 in einer ersten Phase, beispielsweise weil der Motor 7 deaktiviert wird, der Lüfter 4 aber noch weiterläuft, so wird das Temperaturfeld TF des Lüfters 4 vorzugsweise unter Berücksichtigung der aus dem Kühler 5 ausströmenden Wärme Q angepasst 108. Dies geschieht vorzugsweise auf der Grundlage der ersten Temperaturverteilung TV₁, wobei sich eine Abkühlung des Lüfters vom Einlass 5 zum Auslass 6 mit fortschreitender Zeitdauer ausbreitet. Diese Abkühlung verläuft im Wesentlichen mit einem konstanten Temperaturgradienten über die Bautiefe des Lüfters 4 und kann insbesondere als linear angenommen werden. Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass sehr realitätsnahe Ergebnisse erzielt werden können, wenn der zeitliche Temperaturgradient Eingang 5 und Ausgang 6 des Lüfters 4 als wenigstens im Wesentlichen gleich angenommen wird. Dies ermöglicht eine besonders einfache Berechnung der Simulation eines abgestellten Fahrzeugs 3, da sich im Wesentlichen die durch das Temperaturfeld TF vorgegebene Randbedingung mit geringem Rechenaufwand angepasst werden kann. Das Massenstromfeld MF muss hierbei nicht verändert werden. Die Temperaturverteilungen im und um das Fahrzeug werden hierbei mittels einer räumlich aufgelösten transienten dritten Simulation berechnet 109a. Die aus dieser Berechnung 109a hervorgehende dritte Temperaturverteilung TV₃ und dritte Massenstrom MS₃ der Luft durch den stehenden Lüfter 4 und den wenigstens einen anderen Teil des Motorraums 1 wird in einen weiteren Arbeitsschritt vorzugsweise ausgegeben 110.
In einer zweiten Phase bei stehendem Fahrzeug 3 und aktiviertem Motor 7 wird nun nach einer gewissen Abkühlphase auch der Lüfter 4 deaktiviert. In diesem Fall wird auch für den Lüfter 4 auf der Grundlage der räumlich aufgelösten transienten dritten Simulation, insbesondere einer CFD-Simulation, welche in der ersten Phase schon für die anderen Teile des Motorraums 1 in dem Verfahren zum Einsatz kommt, vorzugsweise eine dritte Temperaturverteilung TV₃ und ein dritter Massenstrom MS₃ berechnet 109b. Diese Simulation in der dritten Phase entspricht im Wesentlichen jener eines Fluidsystems ohne rotierendes Bauteil und wird vorzugsweise auf der Grundlage einer vorher bestimmten zweiten Temperaturverteilung TV₂ und des zweiten Massenstroms MS₂ oder der dritten Temperaturverteilung TV₃ und des dritten Massenstrom MS₃ aus der ersten Phase des Nachheizens berechnet. Auch die aus dieser Berechnung 109b hervorgehende dritte Temperaturverteilung TV₃ und dritte Massenstrom MS₃ der Luft durch den stehenden Lüfter 4 und den wenigstens einen anderen Teil des Motorraums 1 wird in einem weiteren Arbeitsschritt vorzugsweise ausgegeben 110.
Jeweils nach dem Ausgeben der zweiten Temperaturverteilung TV₂ und/oder des zweiten Massenstrom MS₂ 107 oder nach dem Ausgeben der dritten Temperaturverteilung TV₃ und/oder des dritten Massenstroms MS₃ 110 werden vorzugsweise manuell oder automatisch konstruktive Parameter oder Steuerparameter des Lüfters 4 und/oder des Motorraums 1 verändert 111 und ausgegeben 112. Anhand dieser Daten kann dem erfindungsgemäßen Verfahren 100 wiederum ein dreidimensionales Modell 3D' zur Verfügung gestellt werden 101.
Eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Datenverarbeitungsvorrichtung wird in 6 dargestellt. Hierbei sind für jeden Arbeitsschritt im Wesentlichen Mittel vorhanden, welche in der Datenverarbeitungsvorrichtung 10 als Hardware-Element und/oder Software-Element implementiert sein können. Das zweite Mittel 17 zum Ausgeben der zweiten Temperaturverteilung TV₂ und/oder des zweiten Massenstroms MS₂ kann insbesondere als Bildschirm ausgebildet sein, um dem Nutzer die Temperaturverteilung, wie in 5 gezeigt, des Motorraums 1 und/oder der Umgebung des Fahrzeugs darzustellen. Die Datenverarbeitungsvorrichtung an sich weist insbesondere einen Speicher und einen Prozessor auf, um die für das erfindungsgemäße Verfahren 100 benötigten Rechenschritte durchzuführen.
Bezugszeichenliste

1: Fluidsystem
2: Kühler
3: Fahrzeug
4: rotierendes Bauteil
5: Einlass
6: Auslass
7: Verbrennungskraftmaschine
10: Datenverarbeitungsvorrichtung
11: Mittel zum Bereitstellen
12: erste Mittel zum Berechnen
13: Mittel zum Summieren
14: Mittel zum Mitteln
16: erste Mittel zum Ausgeben
17: zweite Mittel zum Berechnen
18: zweite Mittel zum Ausgeben

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2009563 A1 [0005]
CN 103226635 A [0006]
EP 2813958 A1 [0007]

Claims

Verfahren (100) zur konstruktiven Designoptimierung eines Fluidsystems (1), insbesondere eines Motorraums eines Fahrzeugs (3), mit einem rotierenden Bauteil (4), insbesondere einem Lüfter, folgende Arbeitsschritte aufweisend: • Bereitstellen (101) eines dreidimensionalen Modells (3D) des Fluidsystems (1); • erstes Berechnen (102) einer ersten Temperaturverteilung (TV₁) und eines ersten Massenstroms, insbesondere einer Geschwindigkeitsverteilung, (MS₁) eines Fluids in einem rotierenden Bauteil (4) des Fluidsystems (1), insbesondere unter Vorgabe einer ersten Periodizität, ersten Gitterpunkten einer Geschwindigkeit des Fluids und/oder einer Temperatur des Fluids an einem Einlass (5) und/oder an einem Auslass des rotierenden Bauteils (4), mittels einer räumlich aufgelösten transienten ersten Simulation auf der Grundlage des dreidimensionalen Modells, insbesondere einer Sliding-Mesh-Simulation; • Summieren (103) von Werten der ersten Temperaturverteilung (TV₁) und/oder des ersten Massenstroms (MS₁) in jeweils einem Gitterpunkt zu verschiedenen Berechnungszeitpunkten der ersten Simulation über einen jeweils vorgegebenen Zeitraum; • Mitteln (104) der summierten ersten Temperaturverteilung (ΣTV₁) und/oder des summierten ersten Massenstroms (ΣMS₁) in dem jeweils einen Gitterpunkt der ersten Simulation über den vorgegebenen Zeitraum; • Ausgeben (105) eines Temperaturfelds (TF) auf der Grundlage der gemittelten ersten Temperaturverteilung (TV_1-AV) und eines Massenstromfelds (MF) des Fluids auf der Grundlage des ersten Massenstroms (MS₁) oder des gemittelten ersten Massenstroms (MS_1-AV) wenigstens für einen Auslass (6) des rotierenden Bauteils (4); • zweites Berechnen (106) einer zweiten Temperaturverteilung (TV₂) und eines zweiten Massenstroms (MS₂) des Fluids für wenigstens einen anderen Teil des Fluidsystems (1), insbesondere unter Vorgabe einer zweiten Periodizität, zweiten Gitterpunkten, einer initialen Temperatur des Fluids und/oder einer initialen Geschwindigkeit des Fluids, mittels einer räumlich aufgelösten, insbesondere stationären, zweiten Simulation, insbesondere einer CFD-Simulation, auf der Grundlage des dreidimensionalen Modells, wobei das Temperaturfeld und das Massenstromfeld wenigstens am Auslass (6) des rotierenden Bauteils (4) als konstante Randbedingungen in die zweite Simulation eingehen; und • Ausgeben (107) der zweiten Temperaturverteilung (TV₂) und/oder des zweiten Massenstroms (MS₂) in der Weise, dass auf deren Grundlage ein Design des rotierenden Bauteils (4) und/oder des wenigstens einen anderen Teils des Fluidsystems (1) optimierbar ist.
Verfahren (100) nach Anspruch 1, wobei das Verfahren (100) dynamisch ausgeführt wird und die erste Temperaturverteilung (TV₁) und der erste Massenstrom (MS₁) des Fluids wenigstens dann neu berechnet werden, wenn sich ein initiales Geschwindigkeitsprofil des Fluids ändert.
Verfahren (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Verfahren (100) dynamisch ausgeführt wird und die zweite Temperaturverteilung (TV₂) und der zweite Massenstrom (MS₂) periodisch oder bei einer Veränderung vorbestimmter Randbedingungen, insbesondere des Temperaturfelds (TF) und/oder des Massenstromfelds (MF), neu berechnet werden.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, des weiteren folgenden Arbeitsschritt aufweisend: • Anpassen (108), wenn sich die initiale Temperatur des Fluids ändert, des Temperaturfelds (TF) des rotierenden Bauteils (4) unter Berücksichtigung der aus dem rotierenden Bauteil (4) ausströmenden Wärme Q auf der Grundlage der ersten Temperaturverteilung (TV₁), wobei sich eine Abkühlung des rotierenden Bauteils (4) insbesondere vom Einlass (5) zum Auslass (6) ausbreitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, des weiteren folgenden Arbeitsschritt aufweisend: • Berechnen (109a), wenn sich die Temperatur des Fluids am Einlass (5) ändert, einer dritten Temperaturverteilung (TV₃) und eines dritten Massenstroms (MS₃) für den wenigstens einen anderen Teil des Fluidsystems (1) mittels einer räumlich aufgelösten transienten dritten Simulation auf der Grundlage des dreidimensionalen Modells (3D), der zweiten Temperaturverteilung (TV₂), des zweiten Massenstroms (MS₂) des Fluids und/oder des Temperaturfelds und das Massenstromfelds wenigstens am Auslass (6) des rotierenden Bauteils (4); und/oder • Berechnen (109b), wenn das rotierende Bauteil (4) deaktiviert wird, der dritten Temperaturverteilung (TV₃) und des dritten Massenstroms (MS₃) des Fluids für das rotierende Bauteil (4) und für den wenigstens einen anderen Teil des Fluidsystems (1) mittels der räumlich aufgelösten transienten dritten Simulation auf der Grundlage des dreidimensionalen Modells (3D), der zweiten Temperaturverteilung (TV₂), des zweiten Massenstroms (MS₂) des Fluids und/oder des Temperaturfelds und des Massenstromfelds wenigstens am Auslass (6) des rotierenden Bauteils (4); und • Ausgeben (110) der dritten Temperaturverteilung (TV₃) und/oder des dritten Massenstroms (MS₃) in der Weise, dass auf deren Grundlage ein Design des rotierenden Bauteils (4) und/oder des wenigstens einen anderen Teils des Fluidsystems (1) optimierbar ist.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, des weiteren folgenden Arbeitsschritt aufweisend: • Verändern (111) von konstruktiven Parametern oder Steuerparametern des wenigstens einen rotierenden Bauteils (4) und/oder des Fluidsystems (1) auf der Grundlage der zweiten und/oder dritten Temperaturverteilung (MS₂, MS₃) und/oder des zweiten und/oder dritten Massenstroms (MS₂, MS₃); und/oder • Ausgeben (112) wenigstens der veränderten konstruktiven Parameter des rotierenden Bauteils (4) und/oder des Fluidsystems (1).
Verfahren (100) nach Anspruch 6, wobei zur Optimierung des rotierenden Bauteils (4) und/oder des Fluidsystems (1) wenigstens eine weitere Randbedingung berücksichtigt wird.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Summieren (103) von Werten ein anfänglicher instationärer Zustand der ersten Temperaturverteilung TV₁ und/oder des ersten Massenstroms MS₁ außer Betrachtung bleibt, bevorzugt ein Zeitraum von 0,1 s, besondere bevorzugt von 0,2 s und am bevorzugtesten von 0,3 s.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Periodizität zwischen 0,001 s und 0,00001 s, bevorzugt 0,0001 s, beträgt.
Computerprogramm, das Anweisungen umfasst, welche, wenn sie von einem Computer ausgeführt werden, diesen dazu veranlassen, die Schritte eines Verfahrens (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 ausführen.
Computer-lesbares Medium, auf welchem ein Computerprogramm nach Anspruch 10 gespeichert ist.
Datenverarbeitungsvorrichtung (10) zur konstruktiven Designoptimierung eines Fluidsystems (1), insbesondere eines Motorraums (2) eines Fahrzeugs (3), mit einem rotierenden Bauteil (4), insbesondere in einem Lüfter, aufweisend: • Mittel (11) zum Bereitstellen (101) eines dreidimensionalen Modells (3D) des Fluidsystems (1); • erste Mittel (12) zum Berechnen (102) einer ersten Temperaturverteilung (TV₁) und eines ersten Massenstroms (MS₁) eines Fluids in einem rotierenden Bauteil (4) des Fluidsystems (1), insbesondere unter Vorgabe einer ersten Periodizität, ersten Gitterpunkten einer Geschwindigkeit des Fluids und/oder einer Temperatur des Fluids an einem Einlass (5) und/oder an einem Auslass (6) des rotierenden Bauteils (4), mittels einer räumlich aufgelösten transienten ersten Simulation auf der Grundlage des dreidimensionalen Modells, insbesondere einer Sliding-Mesh-Simulation; • Mittel (13) zum Summieren (103) von Werten der ersten Temperaturverteilung (TV₁) und/oder der ersten Massenstroms (MS₁) in jeweils einem Gitterpunkt zu verschiedenen Berechnungszeitpunkten der ersten Simulation über einen jeweils vorgegebenen Zeitraum; • Mittel (14) zum Mitteln (104) der summierten ersten Temperaturverteilung (ΣTV₁) und/oder des summierten ersten Massenstroms (ΣMS₁) in dem jeweils einen Gitterpunkt der ersten Simulation über den vorgegebenen Zeitraum; • erste Mittel (15) zum Ausgeben (105) eines Temperaturfelds (TF) auf der Grundlage der gemittelten ersten Temperaturverteilung (TV_1-AV) und eines Massenstromfelds (MF) des Fluids auf der Grundlage des ersten Massenstroms (MS₁) oder des gemittelten ersten Massenstroms (MS_1-AV) wenigstens für einen Auslass (6) des rotierenden Bauteils (4); • zweite Mittel (16) zum Berechnen (107) einer zweiten Temperaturverteilung (TV₂) und eines zweiten Massenstroms (MS₂) des Fluids für wenigstens einen anderen Teil des Fluidsystems (1), insbesondere unter Vorgabe einer zweiten Periodizität, zweiten Gitterpunkten, einer initialen Temperatur des Fluids und/oder einer initialen Geschwindigkeit des Fluids, mittels einer räumlich aufgelösten, insbesondere stationären, zweiten Simulation, insbesondere einer CFD-Simulation, auf der Grundlage des dreidimensionalen Modells, wobei das Temperaturfeld und das Massenstromfeld wenigstens am Auslass (6) des rotierenden Bauteils (4) als konstante Randbedingungen in die zweite Simulation eingehen; und zweite Mittel (17) zum Ausgeben (108) der zweiten Temperaturverteilung (TV₂) und/oder des zweiten Massenstroms (MS₂) in der Weise, dass auf deren Grundlage ein Design des rotierenden Bauteils (4) und/oder des wenigstens einen anderen Teils des Fluidsystems (1) optimierbar ist.