Simulation Wie CFD die Entwicklungskosten von Industrieventilatoren senkt

Autor / Redakteur: Viktor Stoyanov und Stefan Recker / Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Der detaillierte Blick ins Innere von Ventilatoren mit Strömungssimulationen trägt zum besseren Verständnis und so zur Reduzierung von Entwicklungskosten bei.

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Die Strömungssimulation ermöglicht eine genaue Betrachtung der Strömungsprozesse in den einzelnen Regionen des Ventilators sowie deren Wechselwirkungen innerhalb der Strömungsmaschine.
Die Strömungssimulation ermöglicht eine genaue Betrachtung der Strömungsprozesse in den einzelnen Regionen des Ventilators sowie deren Wechselwirkungen innerhalb der Strömungsmaschine.
(Bild: CD-Adapco)

Typische Anwendungen zum Abblasen oder Ansaugen von Feuchtigkeit oder anderen Medien sowie zur Trocknung und Kühlung von Bauteilen werden häufig mit Hilfe von Industrieventilatoren realisiert. Dabei ist die benötigte Luftmenge und der erforderliche Über- oder Unterdruck der jeweiligen Aufgabenstellung ausschlaggebend für den verwendeten Gerätetyp, welche sich vor allem hinsichtlich der Bauform des Ventilators (Laufrad und Gehäuse), der Motordrehzahl und dessen Leistungsstärke sowie in der Gerätegröße unterscheiden können.

Die Vielzahl von Anwendungen erfordert dabei häufig eine gezielte Anpassung der lufttechnischen Kennlinie und eine energieeffiziente Auslegung des Bestpunkts auf die individuellen Betriebspunkte der Anlagen. Möglich wird dies durch entsprechende Auslegung des Ventilatorlaufrads und seiner Drehzahl. Häufig dienen zur Vorauslegung bereits bestehende Ventilatoren als Grundlage, deren lufttechnische Eigenschaften bekannt sind, sowie empirische Berechnungsverfahren in Kombination mit dem Know-how der Ventilator-Hersteller. Durch anschließende Fertigung des Ventilators und Vermessung auf einem Luftprüfstand wird die lufttechnische Kennlinie überprüft und das Gerät freigegeben oder ggf. überarbeitet.

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Hoher Aufwand für Neuentwicklungen

Für spezielle Optimierungsmaßnahmen oder Neuentwicklungen steigt jedoch der Entwicklungsaufwand, weshalb sich mittlerweile auch für kleine und mittelständische Unternehmen die gezielte Unterstützung durch CFD-Tools anbietet, die den Entwicklungsprozess massiv beschleunigen und Fertigungsschleifen reduzieren können. Die Akzeptanz von Strömungssimulationsmethoden kann dabei deutlich durch entsprechende Vergleichssimulationen gesteigert werden und stehen daher meist zu Beginn einer geplanten Einführung oder Nutzung in Unternehmen. In diesem Artikel sollen daher für Industrieventilatoren die Ergebnisse von vorausberechneten Kennlinien mittels der zwei grundsätzlich unterschiedlichen Methoden „Empirische Vorausberechnung“ und „Numerische Simulation“ gegenübergestellt und abschließend mit realen Messergebnissen verglichen werden.

Teil einer Kooperation

Die gezeigten Ergebnisse sind Teil eines Kooperationsprojekts zwischen den Firmen Elektror Airsystems und Impetro Automotive Engineering. Elektror als Auftraggeber und einer der international führenden Hersteller von Industrieventilatoren und Seitenkanalverdichtern hat die CAD-Modelle, die empirischen Vorausberechnungen und die Messwerte zur Verfügung gestellt. Impetro Automotive Engineering als Auftragnehmer und Ingenieurdienstleister sowie Systementwickler hat den Aufbau des virtuellen Luftprüfstands und die nachfolgenden CFD-Berechnungen umgesetzt.

Vorausberechnung und lufttechnische Messung

Elektror nutzt zur Ventilator-Vorauslegung eigene langjährig entwickelte Tools auf Basis empirisch gesicherter Berechnungsmodelle, die in Echtzeit und meist ausreichend genau die Luftkennlinien von Radialventilatoren vorausberechnen können. Ausgehend von der sogenannten Eulergeraden werden Reibungs-, Stoß- und Spaltverluste im Laufrad und Gehäuse sowie Minderumlenkungen der Luft im Schaufelkanal durch empirische Faktoren berücksichtigt, siehe Abbildung 1.

Kostenintensive Fertigungsschleifen

Doch während für Nieder- und Mitteldruckventilatoren mit Drehfrequenzen von i. d. R. 50 Hz eine sehr gute Übereinstimmung von Vorausberechnung und Messung erzielt werden kann, sind die Abweichungen bei gesteigerter Laufraddrehzahl (> 6.000 min-1) infolge von zunehmend instationären Vorgängen wie Turbulenzen und Ablösungen größer. Diese können in der Vorausberechnung nur noch bedingt berücksichtigt werden (siehe Abbildung 2). Insbesondere bei kundenindividuellen Ausführungen mit geringer Stückzahl machen sich diese Abweichungen in Form von zusätzlichen Fertigungsschleifen als kostenintensiv bemerkbar und erfordern eine Optimierung des Entwicklungsprozesses.

Grundlagen der Untersuchung

Als Basis für die durchgeführten Untersuchungen dient ein Hochdruck-Radialventilator, betrieben bei 105 Hz mit 20 kW-Nennleistung bei 6.300 min-1 und mit bis zu 20.000 Pa Totaldruck. Die Messungen finden auf der firmeneigenen Luftmessstrecke statt, die nach DIN EN ISO 5801 aufgebaut ist, siehe Abbildung 3.

Die Messung des Massen- bzw. Volumenstroms erfolgt dabei indirekt durch Auswertung des Differenzdrucks vor und hinter einer Messblende, welcher sich proportional zum Massenstrom verhält. Zusätzlich werden die statischen und dynamischen Drücke am Austritt des Ventilators sowie Temperaturen, Motordrehzahl und Aufnahmeleistung aufgezeichnet. Um eine vollständige lufttechnische Kennlinie erfassen zu können, muss mit Hilfe einer Drosseleinrichtung, bestehend aus einem verstellbaren Klappenmechanismus, der Anlagenwiderstand für den Ventilator systematisch verändert werden, wodurch der sich einstellende Massen- bzw. Volumenstrom kontrolliert werden kann.

Die Validierung der anschließenden Strömungssimulationen erfolgt anhand einer Gegenüberstellung der mit Hilfe von Star-CCM+ gewonnenen Ergebnisse mit den aus dem realen Versuch gemessenen physikalischen Werten (hier: statischer Druck, Totaldruck und Volumenstrom).

Numerische Simulationen mit Star-CMM+

Star-CMM+ ermöglicht die komplette Implementierung der für die heutige Entwicklung von Ventilatoren erforderlichen physikalischen Modelle. Dabei können jegliche Anforderungen an die Simulationsprozesse komplett erfüllt werden. Für den Anwender ergibt sich dabei der Vorteil, dass in einer einzigen Softwareumgebung die fertigen CAD-Modelle importiert werden können sowie die komplette Kette bestehend aus Preprozessor, Löser und Postprozessor umgesetzt werden kann.

Prozessbeschreibung

Das untersuchte Laufrad des Hochdruckventilators kann als rotierender Körper in einem stillstehenden Gehäuse abgebildet werden. Die Laufraddrehzahl ist hierbei als variabler Parameter definiert (Nenndrehzahl 6.300 min-1). Das alleinige Modell bestehend aus Laufrad und Gehäuse erlaubt es, lediglich zwei Betriebspunkte der Kennlinie (Anfangs- und Endpunkt) zu erfassen. Wird der Druck am Austrittspunkt der Messstrecke als Umgebungsdruck definiert, stellt sich der maximal mögliche Volumenstrom des Systems ein. Der Anfangspunkt der Kennlinie kann wiederum durch Schließen des Austritts am Gehäuse ermittelt werden. Um jedoch die reale Luftmessstrecke abzubilden, wird das Messrohr mit einer Länge von 8000 mm und einem Durchmesser von 300 mm unter Verwendung eines Übergangstückes zum Ventilator angeschlossen und zusätzlich der Drosselmechanismus abgebildet. Innerhalb dieses Rohrs wird eine Messblende mit einem Durchmesser von 144 mm positioniert, um das Auswerten des Massenstromes zu ermöglichen. Die durch die Blende durchströmende Luft breitet sich hinter der Messblende in Form eines Freistrahles in eine begrenzte Umgebung aus und trifft anschließend den Drosselmechanismus. Von dort wird die Luft in die Umgebung geleitet.

Numerische Modelle und Serverleistung

Für diese Simulationsreihe wurde eine first-principles Navier-Stokes solution mit dem realizable k-e turbulence model für einen segregated solver ausgewählt. Weiterhin sind in-place interfaces definiert und steady simulations gewählt worden. Später wurde festgestellt, dass für den Fall mit dem undurchlässigen Austritt des Systems eine Ausnahme gemacht werden muss. Um in diesem Fall eine stabile Konvergenz zu gewährleisten, wurde eine implicit unsteady simulation durchgeführt.

In den untersuchten Modellen wurde für den Bereich des Ventilators ein polyhedral Netz und für das Rohr und die Drosseleinrichtung ein trimm Netz definiert. Zusätzlich wurde eine Grenzschicht mit fünf Zellen abgebildet. Das endgültige Modell wurde mit ca. 20 Millionen Zellen vernetzt. Die Vernetzung erfolgte mit Unterstützung eines Servers, der über jeweils 2 Prozessoren mit insgesamt 32 Kernen und 64 GB RAM verfügt. Die Vernetzung nahm dennoch 2,5 Stunden in Anspruch.

Simulationsergebnisse

Für die numerische Nachbildung der Ventilatorkennlinie wurden insgesamt sechs Simulationen für verschiedene Klappenstellungen der Drosseleinrichtung durchgeführt. Die Anfangsbedingungen der einzelnen Simulationen variierten einzig durch den Wert der Laufraddrehzahl. Diese Werte wurden in den realen Versuchen ermittelt und in das Simulationsmodell implementiert.

In Abbildung 4 kann beispielhaft die Zusammenwirkung zwischen den physikalischen Phänomenen innerhalb der virtuellen Luftmessstrecke dargestellt werden. Dabei wird die Geschwindigkeitsverteilung innerhalb der Messstrecke mit Hilfe einer Scalar Scene visualisiert. Unter Verwendung eines Spiralgehäuses, wie es bei Ventilatoren üblich ist, wird der Abstand zwischen Laufrad und Gehäuse nicht konstant gehalten. Dies hat eine inhomogene Verteilung der Strömungsgeschwindigkeiten innerhalb dieser Region zur Folge (siehe Abbildung 4-links). Die unterschiedlichen Geschwindigkeiten, mit denen die beschleunigte Luftmasse das Gehäuse trifft, führen auch zu Differenzen bei der Druckverteilung an der Gehäusewand. Dies kann u. U. zu strukturmechanischen und akustischen Problemen führen. Um unerwünschte Effekte zu vermeiden bzw. frühzeitig zu identifizieren, ist es daher wichtig die lokale Druckverteilung an der Gehäuseoberfläche darstellen zu können, was mithilfe von Star-CMM+ möglich ist. Die Inhomogenität des Geschwindigkeitsprofils kann sich auch weiter entlang des Verbindungsstücks zwischen Ventilator und Messstrecke verbreiten.

Physikalische Phänomene in und um den Ventilator

Die aus dem Ventilator austretende Luft wird weiterhin in Richtung Messblende gepresst, wobei ein freier Strahl innerhalb des darauffolgenden Rohrs gebildet wird (siehe Abbildung 4-mittig). Direkt an der Blende erfolgt die numerische Auswertung des Volumenstroms. Da aber die genaue numerische Beschreibung des Freistrahls einen direkten Einfluss auf die Qualität der Simulationsergebnisse hat, waren mehrere Simulationen zur Auswahl der plausibelsten Netzlänge für diese Region notwendig. Weiterhin trifft die beschleunigte Luftmasse aus der Düse auf die Drosseleinrichtung. Typische Merkmale dieser Region sind die schmalen Bereiche, durch die die Luft strömt und die Messstrecke verlässt. Dort sind größere Geschwindigkeitsunterschiede festzustellen (siehe Abbildung 4-rechts). Für diese Region ist die Definition einer lokalen Vernetzungsgröße notwendig, welche die spezifischen Anforderungen der physikalischen Phä-nomene erfüllt.

Durchführung der Simulation

Die Simulation wurde für insgesamt sechs verschiedene Einstellungen der Drosselklappen (MP1 bis 5) wiederholt: von einem komplett geschlossenen (MP1) bis zu einem komplett geöffneten Ausgang der Messstrecke (MP5). Als Ergebnis dieser Simulationsreihe können die größeren Unterscheide der Geschwindigkeitsverteilung innerhalb des Ventilatorgehäuses und im Verbindungsstück festgestellt werden (siehe Abbildung 5).

Eine Gegenüberstellung der gemessenen und der numerisch berechneten Werte für die Druckverteilung (statischer und Totaldruck) und den dazugehörigen Volumenströmen ist in Abbildung 6 ebenfalls dargestellt. Die abgebildeten numerischen Ventilatorkennlinien entsprechen einer Interpolation 3-ter Ordnung. Aus Tabelle 1 können die dazugehörigen empirischen und gemessenen Werte entnommen werden. Hieraus wird ersichtlich, dass die mit Unterstützung von Star-CMM+ ermittelten Werte eine sehr hohe Übereinstimmung mit den gemessenen Werten aufzeigen. Dabei liegt die durchschnittliche Differenz zwischen Messwerten und Simulationsergebnissen bei unter 6,5 %. Die Ergebnisse der Untersuchung zeigen des Weiteren, dass die Genauigkeit der numerischen Berechnung die der empirischen Vorausberechnung deutlich übersteigt.

Zusammenfassung

In diesem Artikel werden die Ergebnisse der real gemessenen lufttechnischen Kennlinie eines Hochdruckventilators mit der empirischen Vorausberechnung sowie der numerischen Simulation verglichen. Während die empirische Vorausberechnung bei höheren Laufraddrehzahlen ungenau wird, ergibt die numerische Berechnung mit Star-CMM+ eine sehr gute Übereinstimmung mit den gemessenen Werten. Die Simulationsmodelle ermöglichen zusätzlich eine genaue Betrachtung der Strömungsprozesse in den einzelnen Regionen des Ventilators sowie deren Wechselwirkungen innerhalb der Strömungsmaschine. Des Weiteren können Maßnahmen zur Verbesserung der Strömung bzw. der Kennlinie aufgezeigt werden. In weiterführenden Untersuchungen sollen auch Maßnahmen zur Vereinfachung der virtuellen Messstrecke unter Beibehaltung der hohen Simulationsgenauigkeit geprüft werden, wodurch Rechen- und Vorbereitungszeit für weitere Projekte eingespart werden kann.

Abschließend konnte gezeigt werden, dass die mit Star-CCM+ von Impetro Automotive Engineering durchgeführten Simulationen den Entwicklungsprozess von Industrieventilatoren bei Elektror künftig maßgeblich unterstützen kann und der detaillierte Blick ins Innere des Ventilators zum besseren Verständnis der Strömungsprozesse beiträgt. (mz)

* Viktor Stoyanov, Impetro Automotive Engineering GmbH, und Stefan Recker, Elektror Airsystems GmbH

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