Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Turbulenzskalenauflösende Strömungssimulation von Kreiselpumpen

Steigende Anforderungen an Kreiselpumpensysteme z.B. durch die EU-Gesetzgebung erfordern einen energieeffizienten Betrieb auch in Off-Design-Punkten (Teil- und Überlast) und die Beherrschung von turbulenten instationären Betriebszuständen, für die die Genauigkeit verfügbarer Strömungsberechnungsverfahren aufgrund der darin hinterlegten lediglich statistischen Modellierung der Turbulenz (URANS) nicht ausreicht. In dem Vorhaben sollen daher turbulenzskalenauflösende Large-Eddy-Simulationen (LES) zur Erzeugung hoch-genauer Referenzlösungen durchgeführt werden. Aufgrund des hohen Rechenaufwands der LES soll ein turbulenzskalenadaptives Rechenverfahren (SAS) für Kreiselpumpen entwickelt werden, das abhängig vom Rechengitter und den verfügbaren Rechenressourcen lediglich die größten und wichtigsten Turbulenzstrukturen auflöst und damit wirtschaftlich sinnvoll ein ausreichendes Maß an höherer Genauigkeit erzielt. Das SAS-Verfahren lässt bereits mit moderatem Rechenaufwand eine deutlich genauere Prognose z.B. von Teillastwirkungsgraden als aktuell verfügbare Rechenverfahren erwarten und konvergiert bei Verfeinerung des Rechengitters in eine hoch-genaue Large-Eddy-Simulationsmethode. Die Validierung erfolgt an bereits verfügbaren Messdaten für eine Radial- und eine Axialpumpe. Der Transfer des SAS-Verfahrens geschieht auf Basis der lizenzkostenfreien Software OpenFoam, die in zwei durchgängige Toolketten integriert wird. Das neue Rechenverfahren kann in KMU zur genauen Prognose instationärer Strömungszustände, u.a. Entstehungsorte und Stärke von verlustbehafteten Wirbelstrukturen, transiente Rotorkräfte, Geräuschentwicklung, Rotor-Stator-Interaktion sowie Kavitation eingesetzt werden und dient der Bereitstellung des notwendigen Basiswissens für die Entwicklung zukünftiger Pumpensysteme und Absicherung derer Betriebszustände.

Ergebniszusammenfassung:

Erkenntnisgewinn durch Simulationen und vorliegende Messdaten über die Möglichkeiten und Grenzen von Berechnungen von Kreiselpumpenströmungen mit einem statistischen state-of-the-art Turbulenzmodell (URANS) und über den Genauigkeitsgewinn eines skalenadaptiven Turbulenzmodells (SAS) gegenüber der URANS bereits auf relativ groben für den industriellen Alltag üblichen Rechengittern. Damit liegt eine klare Empfehlung an die Pumpenindustrie zur Wahl des Turbulenzmodells und der für das jeweilige Modell zu wählenden numerischen Einstellungen vor.

Erkenntnisgewinn, dass Pumpenberechnungen mit turbulenzskalenauflösenden Large-Eddy-Simulationen aufgrund der hochkomplexen Strömung in Kreiselpumpen nicht für kleine und mittlere Unternehmen der Pumpenindustrie (KMU) realisierbar sind, bzw. sein werden, und darüber hinaus kein Genauigkeitsgewinn gegenüber der SAS oder URANS zu erwarten ist, der den deutlichen Mehraufwand rechtfertigen könnte. Dies unterstreicht die Wichtigkeit der SAS für KMU, um zumindest durch eine Teilauflösung turbulenter Strukturen einen Genauigkeitsgewinn gegenüber der URANS zu erzielen.

Entwicklung einer Toolkette zur Nutzung lizenzkostenfreier Berechnungssoftware zusammen mit kommerzieller Software zur Vorbereitung der Berechnung und Aufbereitung der Berechnungsergebnisse. Dadurch ergibt sich eine erhebliche Kosteneinsparung, die es auch KMU ermöglicht hochgenaue Strömungsberechnungen bei der Pumpenentwicklung anzuwenden, um so aktuelle und zukünftige Wirkungsgrad-Anforderungen an Pumpen im gesamten Betriebsbereich erfüllen zu können.

Erweiterung der lizenzkostenfreien Software um Verfahren, die eine Anwendung der SAS auf den groben Rechengittern der URANS mit verbesserter Genauigkeit ermöglichen. Dadurch kann bei einer Anwendung in der Pumpenindustrie einfach von URANS auf SAS gewechselt werden ohne das Rechengitter ändern zu müssen.