Auch rotierende Maschinen kompromisslos gut vernetzen

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CFX Berlin Software GmbH

Vernetzung neu denken

Die CFX Berlin Software GmbH stellte sich der Herausforderung, das Problem ganz neu anzugehen. Die Kompromisse zwischen langen Rechenzeiten, hohem manuellen Aufwand und der Gewährleistung einer hohen Ergebnisqualität sollten endgültig beendet werden, soll heißen: die numerische Strömungssimulation soll endlich auch für die Entwicklung von Rotations-Verdrängermaschinen zu einem technisch und wirtschaftlich erfolgreichen, effizienten Werkzeug werden.

Mit Hilfe der von CFX Berlin neu entwickelten Vernetzungssoftware Twin-Mesh können nun erstmalig die sich zeitlich ändernden Strömungsvolumina im Arbeitsraum von rotierenden Verdrängermaschinen automatisiert und qualitativ hochwertig mit strukturierten hexahedralen Gittern vernetzt werden. Der Workflow von Twin-Mesh sieht dazu nur wenige Arbeitsschritte vor.

• Zunächst werden im CAD-System oder im Ansys Design-Modeler die Strömungsvolumina der Maschine in die stehenden und die rotierenden Räume zerlegt.

• Für den Bereich der stehenden Bauteile (Zuströmung, Abströmung) können wie gewohnt mit Ansys Meshing oder Ansys ICEM CFD Hexa automatisiert qualitativ hochwertige Gitter erzeugt werden.

• Die rotierenden Teile der Maschine werden als Kurven der Rotoren und der Gehäusekonturen in Twin-Mesh eingelesen und dort anschließend für eine vom Anwender festgelegte Anzahl an Winkelpositionen automatisiert vernetzt. Die dabei entstehenden Rechengitter bestehen ausschließlich aus Hexaeder-Elementen (Quader-förmig). Die axiale und radiale Gitterauflösung definiert der Benutzer und besondere Bereiche (Grenzschicht und Spalte) können auf Wunsch auch gesondert verfeinert werden. Durch die Verwendung eines in Twin-Mesh enthaltenen Glättungsalgorithmus bleiben die Knotenverteilungen möglichst homogen und die Elementinnenwinkel nahezu orthogonal.

Netze vor der Simulation bewerten

Ein weiteres Feature der Software ist die Möglichkeit zur Bewertung der Netze schon vor der Simulation hinsichtlich ihrer numerischen Qualität. Sind die gewünschten Qualitätskriterien für die Rechengitter aller Winkelpositionen erreicht, kann das Projekt exportiert werden. Dabei speichert Twin-Mesh neben den Rechengittern auch spezielle Routinen ab, welche die Ansys CFD-Software für die weitere Verarbeitung während der eigentlichen Simulation benötigt. In der Ansys CFD-Software werden im abschließenden Schritt die erstellten Rechengitter für die drehenden und die stehenden Teile der Maschine zu einem Simulationsmodell zusammengebaut. Und auch hier hat sich CFX Berlin etwas Besonderes einfallen lassen: Für typische Verdrängermaschinen liefert Twin-Mesh spezielle Makros, welche das eigentliche Simulations-Setup in Ansys CFD auch noch auf Knopfdruck erledigen.

Fazit

Die numerischen Strömungsberechnungen auf Basis der Twin-Mesh-Rechengitter liefern valide Aussagen zu Druckverhältnissen, zu Förderleistung, Massenstrom, Pulsation oder Wirkungsgrad sowie zum Auftreten von Kavitation in rotierenden Verdrängermaschinen. Die von CFX Berlin entwickelte Software schließt damit eine Lücke und erlaubt es erstmals, CFD effizient für die Analyse und Optimierung von Rotationsverdrängern einzusetzen. Erfahrungen bestehen übrigens bereits mit einer Vielzahl von Kunden und Maschinen. (mz)

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