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CFD Mit Strömungssimulation dem Druckverlust auf der Spur

| Autor / Redakteur: Julia Rüther und Marius Klein / Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Die Optimierung von Luft- und Fluidströmungen spielen in vielen Bereichen der Produktentwicklung eine große Rolle. So müssen etwa Turbinenschaufeln ausgelegt, Schiffsrümpfe untersucht oder die Durchströmung von Armaturen optimiert werden.

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Durch den Einsatz der Strömungssimulation mit virtuellen Prototypen konnte Düker die Anzahl der realen Prototypen eines neuen Rückflussverhinderers drastisch reduzieren - bei geringeren Herstellungskosten und kürzeren Entwicklungszeiten.
Durch den Einsatz der Strömungssimulation mit virtuellen Prototypen konnte Düker die Anzahl der realen Prototypen eines neuen Rückflussverhinderers drastisch reduzieren - bei geringeren Herstellungskosten und kürzeren Entwicklungszeiten.
(Bild: Düker)

Hierbei sind unter anderem der Verlauf der Stromlinien, Strömungswiderstände, der Auftrieb und Druckverluste von Interesse. In den unterschiedlichen Anwendungsbereichen können CFD-Simulationen (Computational Fluid Dynamics) helfen, Bauteile zu optimieren, Entwicklungszyklen zu verkürzen und Herstellungskosten zu reduzieren.

Für die CFD-Simulation wird das durchströmte Gebiet in viele kleine Volumen aufgeteilt, in denen die Strömung bilanziert wird. Aus der Gleichgewichtsbildung der Flüsse über die Volumengrenzen, der Speicherung, Erzeugung und Vernichtung innerhalb des Volumens ergeben sich Transportgleichungen für die Masse, den Impuls und die Energie. Nach der Diskretisierung und Lösung können Fluidgeschwindigkeiten, Drücke, Temperaturen und viele weitere Größen anschaulich im gesamten Lösungsgebiet dargestellt werden.

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Schwer erfassbare Größen ermitteln

Der große Vorteil Numerischer Simulationen besteht in der Visualisierung des Strömungsbildes und darin, dass messtechnisch nicht oder allenfalls schwer erfassbare Größen ermittelt werden können. Der virtuelle Testlauf ermöglicht außerdem das gezielte „Drehen an einzelnen Stellschrauben“ und eine detaillierte Auswertung der Ergebnisse. So kann mit Parameterstudien der Einfluss von Geometrieänderungen gezielt untersucht und der zeit- und kostenintensive Prototypenbau erheblich reduziert werden. Diese Aspekte haben mit dazu geführt, dass sich die Simulation neben der Theorie und dem Experiment als dritte Säule in Forschung und Entwicklung positioniert.

Die Düker GmbH & Co. KGaA nutzt seit einigen Jahren die Simulation mit Ansys CFD erfolgreich zur Auslegung und Weiterentwicklung des Produktangebotes. Aktuell wird ein hydraulisch optimierter Rückflussverhinderer entwickelt, dessen Markteinführung für 2017 geplant ist.

Einsatzgebiete von Düsenrückschlagventilen

Düsenrückschlagventile zählen wirtschaftlich gesehen zu den wichtigsten Rückflussverhinderern und werden unter anderem in der Trinkwasserversorgung, Pumpstationen und industriellen Wasseranwendungen eingesetzt (Bild 1). Ihre Funktionsweise basiert auf dem Ventilprinzip, bei dem im Ruhezustand ein Ventilteller mit einer Feder in den Dichtsitz gedrückt wird. Durch die Fluidströmung bewegt sich der Ventilteller abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit aus dem Sitz bis das Ventil vollständig geöffnet ist. Kurze Schließhübe und geringe bewegte Massen gewährleisten eine schnelle und vor allem schlagfreie Abdichtung im Falle einer Rückströmung.

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