Simulation Auch rotierende Maschinen kompromisslos gut vernetzen

Das Unternehmen CFX Berlin Software GmbH, ein Anbieter von Ansys-Simulationssoftware und Berechnungsdienstleistungen, eröffnet neue Möglichkeiten in der Strömungssimulation: Mithilfe der von CFX Berlin entwickelten Vernetzungssoftware Twin-Mesh wird die numerische Strömungssimulation erstmalig auch für die Hersteller von rotierenden Verdrängermaschinen zu einem effizienten Entwicklungswerkzeug.

Anbieter zum Thema

PFLITSCH GmbH & Co. KG

CADFEM Germany GmbH

MESYS AG

CADFEM Germany GmbH

CFX Berlin Software GmbH

Die numerische Strömungssimulation (CFD) ist heutzutage ein anerkanntes Werkzeug für die Analyse und Optimierung von strömungsmechanischen und thermischen Maschinen- und Anlagenkomponenten, das im industriellen Entwicklungsprozess kaum wegzudenken ist. Eine Grundvoraussetzung für den Aufbau prognosefähiger Berechnungsmodelle ist die Erstellung von numerisch hochwertigen Rechengittern. Diese müssen das Berechnungsgebiet möglichst exakt abbilden, ohne jedoch insgesamt zu viele Elemente zu produzieren, da sich mit zunehmender Modellgröße (Anzahl der Gitterelemente) die Rechenzeiten von Computermodellen erheblich verlängern können.

Herausforderungen bei der Vernetzung

Die Erstellung solcher Rechengitter stellt Berechnungsingenieure insbesondere bei Drehkolbenpumpen, Schraubenkompressoren und Zahnradpumpen vor zwei besonders große Herausforderungen und machte die numerische Simulation (CFD) für diese Maschinen bisher nur sehr eingeschränkt nutzbar.

• Die Komplexität der zu erfassenden Geometrie von Rotationsverdrängermaschinen ergibt sich aus dem sich zeitlich ändernden Strömungsvolumen im Arbeitsraum der Maschine.

• Die zweite besondere Herausforderung besteht in den extrem kleinen Spaltmaßen zwischen den Rotoren sowie zwischen Rotoren und dem Gehäuse. Um die Spaltströmungen richtig zu berechnen, müssen diese Bereiche mit ausreichend vielen, sehr kleinen Gitterelementen aufgelöst werden.

Ein Ansatz ist die automatische Neuvernetzung

Praktikable Ansätze, um diesen besonderen Herausforderungen der Rotationsverdränger zu begegnen, gibt es bisher leider nicht viele. Eine Möglichkeit zum Aufbau eines CFD-Berechnungsmodells für eine rotierende Verdrängermaschine ist die automatische Neuvernetzung (Remeshing). Hierbei wird immer dann, wenn sich das Strömungsvolumen durch Drehung der Rotoren ändert, das Netz durch Verformung angepasst bzw. wird bei Unterschreiten von bestimmten Qualitätskriterien automatisch ein komplett neues Rechengitter von der Berechnungssoftware erzeugt. Nach der Neuvernetzung werden die Berechnungsergebnisse zwischen zwei Zeitschritten von dem alten auf das neue Gitter interpoliert.

Nachteile der automatischen Neuvernetzung

Leider hat diese Methode Nachteile, die in der Praxis dazu führen, dass sie nicht praktikabel einsetzbar ist: die automatische Gittergenerierung funktioniert nicht für Quader-förmige Elemente sondern nur für Dreieckselemente (Tetraeder). Die Topologie dieser Elemente führt bei zufriedenstellender Spaltauflösung jedoch zu enorm großen Berechnungsmodellen. Darüber hinaus entsteht erheblicher rechnerischer Mehraufwand durch die häufige Neuvernetzung und es treten erhebliche numerische Fehler aufgrund der ständigen Interpolation zwischen den einzelnen Rechengittern auf.

Warum überlappende Gitter nicht angewendet werden können

Alternativ zur automatischen Neuvernetzung existieren Ansätze, welche mit überlappenden Rechengittern arbeiten. Hierbei wird ein Berechnungsgitter für den Festkörper der Rotoren durch ein weiteres Berechnungsgitter für das Fluidvolumen gedreht. Überall dort, wo sich die Rechengitter schneiden, wird mit Hilfe von mathematischen Tricks das Strömungsfeld manipuliert.

Leider lassen sich diese Verfahren jedoch nicht mit allen physikalischen Modellen koppeln, welche erforderlich sind, um Phänomene wie Turbulenz, Kavitation, Kompressibilität oder rheologisch komplexe Materialeigenschaften richtig zu berücksichtigen. Da solche Effekte jedoch die Arbeitsweise von Rotationsverdrängern maßgeblich ausmachen, sind auch diese Verfahren damit nicht anwendbar.

Die manuelle Vernetzung als Ausweg

Der beste bisher mögliche Weg, um in vertretbaren Rechenzeiten zu belastbaren Ergebnissen zu kommen, ist die manuelle Vernetzung mit strukturierten hexahedralen Gittern (Quader-förmige Elemente). Für eine vom Berechnungsingenieur festgelegte Anzahl an Rotorpositionen werden die Rechengitter bereits vor der Simulation manuell erzeugt, um dann während der Simulation von der Berechnungssoftware automatisch eingelesen zu werden. Ändert sich die Gittertopologie dabei nicht (Anzahl der Elemente und Knoten), kann auch auf die fehlerbehaftete Interpolation zwischen den Rechengittern einzelner Zeitschritte verzichtet werden, da das Rechengitter für den Löser ja immer das gleiche bleibt.

Vorteil dieser Methode: numerisch beste Qualität; aufgrund der Elementform wird eine hervorragende Spaltauflösung bei trotzdem überschaubarer Gesamtmodellgröße erreicht und alle in der Berechnungssoftware verfügbaren physikalischen Modelle können zum Einsatz kommen. Einziger Nachteil dieser Methode: Die manuelle Gittererstellung kostet für relevante dreidimensionale Geometrien einige Monate. Somit ist ein wirtschaftlicher Einsatz als Analyse- und Entwicklungswerkzeug auch hiermit nicht denkbar.

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)

(ID:43332882)