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Simulation von Pumpen und anderen rotierenden Strömungsmaschinen mit ANSYS CFD

Die Berechnung von Pumpen und anderen Strömungsmaschinen ist ein typisches Einsatzgebiet für die numerische Strömungssimulation (CFD, „Computational Fluid Dynamics“). Ein Erfolgsfaktor ist, dass es sich um eine sehr homogene Produktgruppe handelt, sowohl hinsichtlich Physik als auch der relevanten Simulationsmethoden.

Ein wesentliches Unterscheidungsmerkmal sind die Eigenschaften des strömenden Fluids: Bei Pumpen, Lüftern, Ventilatoren oder Pumpturbinen geht es um Fluide, die sich hier ganz oder annähernd inkompressibel verhalten, also Wasser, Öl oder Luft bei niedrigen Machzahlen. Bei Verdichtern, Dampf- oder Gasturbinen und Strahltriebwerken treten dagegen signifikante Temperatur- oder Dichteänderungen auf, weshalb das Fluid als kompressibel betrachtet werden muss.

Die Ziele der Simulation bei Entwurf und Auslegung können Wirkungsgrade, Kennlinien, Lebensdauerbetrachtungen oder Herstellungskosten sein. Für spezifische Anforderungen eignet sich ANSYS CFX als Teilpaket von ANSYS CFD und die TurboTools (VISTA, BladeGen, BladeModeler). Diese Werkzeuge erlauben es, den gesamten Entwurfs- und Simulationsprozess in durchgängigen Workflows abzudecken, angefangen bei der Vor- und Detail-Auslegung und Modellierung von Geometriedetails über die Vernetzung, Simulation und bis hin zum Postprozessing.

Ansprechpartner zur Strömungssimulation

Dr.-Ing. Barbara Neuhierl

T +49 (0)8092-7005-561
bneuhierl@cadfem.de

 

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Webinar-Tipp

Effiziente Auslegung von radialen Kreiselpumpenlaufrädern

Lernen Sie in 45 Minuten einen innovativen Workflow kennen, über den Radiallaufräder für Kreiselpumpen mit einem sehr hohem Wirkungsgrad entworfen und ausgelegt werden können. Schnell, intuitiv und preiswert.

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Info & Anmeldung:
cadfem.de/pumpen-webinar

Vorauslegung und Geometriedetails

Der erste Schritt bei der Entwicklung einer Strömungsmaschine ist die Vorauslegung. Typischerweise legt man zunächst abhängig vom Einsatzbereich und dem angestrebten Auslegungspunkt die Art des Laufrades (z.B. Axial-, Halbaxial-, Radialrad) fest. Danach müssen die Hauptabmessungen definiert werden. Dazu werden zum Beispiel basierend auf analytischen Berechnungen, bei denen die Strömung durch die Laufräder als Sequenz von eindimensionalen Strömungen bei unterschiedlichen Radien approximiert wird, die Geometrie des Meridianschnitts sowie die Schaufelform bestimmt.

Die Auswirkung von Sekundärströmungen oder Druckverlusten, die bei der analytischen vereinfachten Berechnung nicht abgebildet sind, können dabei empirisch bzw. abgeleitet aus Versuchen an ähnlichen Bauteilen berücksichtigt werden. Mit ANSYS Vista steht für diesen Schritt ein entsprechendes Werkzeug zur Verfügung. Für verschiedene Klassen von Strömungsmaschinen kann damit die Vorauslegung unterstützt werden.

  • Axial-Lüfter: Vista AFD („Axial Fan Design”)
  • Radialkompresoren: Vista CCD („Centrifugal Compressor Design”)
  • Radialpumpen: Vista CPD („Centrifugal Pump Design“)
  • Radialturbine: Vista RTD („Radial Inflow Turbine“)

Als Eingabedaten sind lediglich Druckerhöhung bzw. angestrebte Förderhöhe, Massenstrom, Drehzahl, Nabendurchmesser sowie die Fluideigenschaften erforderlich. Basierend auf diesem Input erzeugt ANSYS Vista Meridianschnitte, Schaufelgeometrien für Rotor und Stator oder Spiralgehäuse für Lüfter oder Pumpen. Dies stellt dann die Ausgangsbasis für die detaillierte numerische Analyse dar, gegebenenfalls können noch detaillierte Änderungen vorgenommen oder bestimmte Abmessungen angepasst werden.

 

Ein Werkzeug für radiale Kreiselpumpen-Laufräder: Pumpenauslegung mit Hilfe von inversem Design

CADFEM hat einen benutzerfreundlichen Workflow zur Auslegung von Radialrädern für Kreiselpumpen entwickelt, der Auslegung, Entwurf und rechnerische Absicherung von Radialrädern für Kreiselpumpen ermöglicht. In diesen Workflow ist neben ANSYS CFD das Werkzeug TurboDesignSuite der Fa. ADT (Advanced Design Technology) integriert. Dieses basiert auf einer neuartigen Idee der Auslegung.

Die innovative Grundlage der Methode ist sogenanntes inverses Design: Ausgehend von gewünschten Ziel-Eigenschaften der Strömung um die Pumpenschaufel wird optimale Geometrie ermittelt. Auf diese Weise können sehr effizient und basierend auf wenigen Auslegungsdaten Laufräder mit hohem Wirkungsgrad entworfen werden. Bei diesen Auslegungsdaten handelt es sich im wesentlichen um Drehzahl, Nabendurchmesser, Volumenstrom, saugseitiger Druck und angestrebte Förderhöhe erforderlich. Optional können, falls zum Beispiel Bauraumbegrenzungen oder Fertigungsrandbedingungen eine Rolle spielen, weitere Geometrieparameter wie Schaufelzahl und –dicke, Saugmunddurchmesser, Austrittsbreite und -durchmesser festgelegt werden. Die Ergebnisse sind über eine hoch aufgelöste CFD-Rechnung abgesichert und somit belastbar. Die Auswirkung von Teil- oder Überlastzuständen sowohl im Hinblick auf Wirkungsgrad als auch auf Kavitationsneigung mit zu analysieren.

 

Sie wollen ein Laufrad auslegen lassen? Bitte senden Sie uns Ihre Spezifikationen mit diesem Formular

 

3D Simulation mit ANSYS CFX

Die Laufräder der meisten Strömungsmaschinen sind rotationssymmetrisch angeordnet. Dies kann man ausnutzen, indem man nur eine einzelne Schaufel abbildet. Mittig zwischen benachbarten Schaufeln im Strömungskanal werden dann periodische Randbedingungen angenommen, und die Bewegung des Rotors wird als Randbedingung auf den Wänden berücksichtigt. Man modelliert somit lediglich ein Segment des Laufrades.

Betrachtet man das Laufrad alleine, also ohne die jeweilige Einbausituation zu berücksichtigen, kann man in sehr guter Näherung die Strömung als („quasi“-) stationär betrachten. Eine derartig vereinfachte Modellierung erlaubt viele schnelle Iterationen und auch Optimierungen in frühen Phasen der Entwicklung, zum Beispiel mit dem Ziel der Schaufel- oder Meridianschnittoptimierung. Ergebnisse wie hydraulische Wirkungsgrade, Druckerhöhungen bzw. Förderhöhen, auf den Rotor wirkende Drehmomente usw. lassen sich so sehr schnell und mit hoher Genauigkeit sowohl für den Auslegungspunkt als auch für einen ganzen Betriebsbereich als Kennlinie bzw. Kennfeld vorhersagen.

 

Komplexe Physik abbilden

Sollen schließlich auch komplexere Effekte abgebildet werden, kann man aufbauend auf den Segment-Modellen detailliertere Modelle erzeugen und entsprechende Phänomene mit berücksichtigen. Diese können vielfältig sein, einige seien erwähnt:

  • Sehr häufig existieren neben Rotoren auch feststehende, nicht symmetrische Bauteile wie z.B. Spiralgehäuse oder feststehende Reihen von Leitschaufeln mit vom Rotor abweichender Schaufelanzahl. Sollen diese mit berücksichtigt werden, so ist die Annahme von Symmetrie nicht mehr zulässig, vielmehr muss die gesamte Geometrie betrachtet werden.
  • Spielen zeitliche Änderungen eine Rolle - dies ist beispielsweise bei nicht symmetrischen Geometrien der Fall - so muss das transiente Verhalten des Systems abgebildet werden. Um zu vermeiden, dass immer das Gesamtmodell betrachtet werden muss, sind in CFX sogenannte „Blade-row“-Modelle implementiert, die dazu dienen, die Interaktion z.B. zwischen Rotor und Stator oder zwischen Rotor und feststehenden Gehäuseteilen effizient abbilden zu können. Sie basieren im Wesentlichen auf Transformationen im Zeit- und Frequenzbereich.
  • Manche Fluide transportieren Feststoffe – man denke etwa an Schmutzwasserpumpen. Im Rahmen einer sogenannten „Multiphase Simulation“ kann der Feststofftransport mit abgebildet werden.
  • Ein insbesondere bei Pumpen und Wasserturbinen auslegungsrelevantes Phänomen ist Kavitation. Dabei entstehen aufgrund der Beschleunigung des Fluids Bereiche mit niedrigem Druck. Fällt der Druck unter den Dampfdruck des Mediums, so kommt es zur Bildung von Blasen. Diese werden von der Strömung mittransportiert und zerfallen wieder, wenn sie in Bereiche mit höherem Druck wandern. Dies kann unter anderem zu massiven Materialschädigungen, Wirkungsgradverlusten und unerwünschten Geräuschen führen. Die numerische Simulation erlaubt die Abbildung von Kavitation und eröffnet damit die Möglichkeit, frühzeitig konstruktive Maßnahmen zu ergreifen.

 

eCADFEM – Simulation on Demand

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