Zeitlichen Druckverlauf berechnen

GerdS · Anmeldungsdatum: 15.05.2017 Beiträge: 5

Meine Frage:
Ich möchte ein Simulationsprogramm schreiben, dass mir die Kräfte und somit die Beschleunigung einer Dampflokomotive berechnet.
Dazu brauche ich die Drücke die während der Bewegung in den Rohrleitungen bzw in den Zylindern entstehen.
Ausgangspunkt ist ein Dampfkessel mit 5400 Liter Wasser plus 1800 Liter Nassdampf. Der Druck beträgt 14 bar, somit ist die Temperatur ca. 198 Grad Celsius.
Durch öffen eines Ventils wird ein Querschnitt von 0 bis 150 cm² frei. d.h. der tatsächliche Querschnitt muß auch als variable bei der Berechnung auftauchen.
Nach dem Ventil strömt der Dampf durch ein Rohr durchm. 1,4 dm länge 19 dm -> Volumen 29,25 dm³ höhendifferenz 0. Dann kommt Zwischenbehälter1 Volumen 40 dm³. Dann folgen 22 parallele Röhren mit je 0,3 dm durchm und 187 dm länge -> Volumen pro Rohr 13,22 dm³ also insges. 290,8 dm³ höhendifferenz 0 auserdem wird in diesen Röhren die Temperatur des Nassdampfes auf ca 300-400 Grad Celsius erhöht (Thermodynamik ?). Dann Zwischenbehälter2 40 dm³. Danach 2 paralelle Röhren mit je 1,3 dm durchm und 27,5 dm länge -> Volumen pro Rohr 36,5 dm³ also ges. 73 dm³ höhendifferenz 27,5 dm. Zum Schluß folgt am Ende der beiden Röhren noch je ein Behälter mit 20 dm³. Von diesen Behältern (Schieberkasten genannt) wird der Dampf wiederum abwechselnd durch freigeben eines veränderbaren Querschnitts in den eigentlichen Zylinderraum geleitet.
Hierbei kommt zum Tragen das der Dampfweg zeitweise unterbrochen wird, der Druck im Schieberkasten also schneller ansteigt und dann wieder freigegeben wird, der angestaute Dampf also in den Zylinderraum strömt.
Genaugenommen müsste man die Druck-Berechnung also in zwei Teile aufspalten können 1. Schieberkastendruck und 2. Zylinderdruck.
zu 1. Schieberkastendruck:
zusammen gefasst habe ich also ein großes Volumen 1 (Kessel 1800lDampf + 5400lWasser), eine Ausströmöffnung mit Querschnittsfläche A (zB 30cm²) und dann ein hintereinander sitzendes Röhrensystem mit verschieden Duchmessern und längen (Volumen) durch die der Dampf mit verschieden Geschwindigkeiten strömt.
Große Frage:
1. wie berechne ich die Ausstömgeschwindigkeit (Achtung der "Gegendruck" in den Rohren nimmt nach einigen Sekunden zu) (Hinweis je nach Zuglast braucht es 3-5bar Druck bevor der Zug sich in Bewegung setzt) und mit welchen Geschwindikeiten strömt dann der Dampf durch die weiteren Rohre.
2. wie berechne ich den Druck in Abhängigkeit von der Zeit der sich im Schieberkasten ergibt
3. was passiert mit Druck und Temperatur wenn der Druck zunächst sinkt dann aber in den 22 paralellen Röhren zusätzlich Wärme zugeführt wird

zu 2. Zylinderdruck:
wie berechne ich den zeitlichen Druckverlauf, wenn nach Öffnug des Dampfweges Schieberkasten->Zylinder der Dampf aus dem "kleinen" Schieberkasten in ein sich stetig vergrößerndes Volumen (der Kolben bewegt sich ja) in den Zylinder strömt? (Druckunterschied -> Strömungsgeschwindigkeit -> veränderbarer Querschnitt)
und zu guter letzt was passiert eigentlich wenn ein Teil der "Energie" des Dampfes an den kühlen Zylinderwänden "verloren" geht?
So das war jetzt ziemlich viel und ich weiß noch nicht wiklich wo ich da anfangen soll.
Deshalb großen Dank an alle die mir hier ein bisschen weiter helfen können.

PS: die Beantwortung von Rückfragen kann bei mir eineige Tage dauern, da ich zu Hause keinen Internetanschluß habe.

Meine Ideen:
ehrlich gesagt herscht eine gewisse Ratlosigkeit da es sich hier ja um kompresible Gase handelt und alles sich mit Druck, Temperatur und Gasgeschindigkeit verändert.