Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Numerische und experimentelle Bestimmung der hydraulischen Rauheitskennwerte von Pumpenoberflächen

Es soll eine validierte Simulationsumgebung zur Bestimmung der äquivalenten Sandrauheit von technisch rauen Oberflächen von Pumpen erarbeitet werden. Das Projektziel soll mit experimentellen und numerischen Arbeiten erreicht werden.

Im Rahmen der experimentellen Arbeiten soll die Grenzschichtströmung über raue Oberflächen erforscht werden. Hierfür wird die Oberflächentopographie typischer Oberflächen von Pumpen mittels Konfokal-Mikroskopie vermessen und durch Mikrostrukturierung reproduziert. Diese Probestücke werden in einer turbulenten Kanalströmung untersucht. Zur späteren Validierung der Numerik sollen das Geschwindigkeitsprofil in der Wandgrenzschicht (LDA), der Druckgradient (stationäre Druckmessungen), sowie die Wandschubspannung (Wandschubspannungswaagen) gemessen werden.

Für die Simulation der Strömung über raue Wände soll die Rauheitsgeometrie durch das Re-chengitter direkt abgebildet werden. Dafür wird ein Verfahren zur Erzeugung körperangepasster Gitter für die vermessenen Oberflächen erarbeitet. Die äquivalente Sandrauheit der Ober-flächen wird dann mithilfe instationärer Strömungssimulationen bestimmt. Anhand der Mess-daten werden die Simulationsergebnisse überprüft und bezüglich der Genauigkeit und Anwendbarkeit bewertet.

Basierend auf den angestrebten experimentellen und numerischen Ergebnissen ist geplant, ein Software-Tool zur Bestimmung der äquivalenten Sandrauheit einer Oberfläche zu program-mieren. Dafür müssen die zuvor erprobten Einzelschritte Geometriebereitstellung, Vernetzung, Solver, Pre- und Post-Prozess automatisiert werden.

Es wird zusätzlich getestet, inwiefern Korrelationen einflussreicher geometrischer Oberflächenkenngrößen zur schnelleren qualitativen Abschätzung der äquivalenten Sandrauheit geeignet sind. Die zu erarbeitende Simulationsumgebung soll die beteiligten Industrieunternehmen in die Lage versetzen, zukünftig die Rauheitswirkung der Pumpenoberflächen im Rahmen der Entwicklungsarbeiten charakterisieren zu können.

Ergebniszusammenfassung:

Ziel des Projektes war die Entwicklung einer Methode zur Bestimmung der äquivalenten Sandrauheit technisch rauer Oberflächen. Diese Methode soll in der Pumpenindustrie die Simulation von Pumpen signifikant verbessern, wenn die Strömung in diesen Pumpen im strömungsmechanischen Sinne übergangsrau oder vollrau ist.

Im Projekt wurde eine Simulationsmethode entwickelt, die auf der phänomenologischen Beschreibung der Wirkung von Rauheitselementen durch Verwendung von Widerstandsbeiwerten für jedes Element beruht. Die erforschte Methode, die Discrete Porosity Methode (DPM), wurde zunächst an Rauheitselementen mit Rechteck- und Dreiecksformen erprobt und anschließend für stochastisch verteilte und geformte Rauheiten, wie sie z.B. bei Gussoberflächen von Pumpenbauteilen vorliegen, weiterentwickelt. Die Validierung wurde mittels eigener Experimente in einem ebenen Kanal mit glatter, übergangsrauer und vollrauher Oberfläche durchgeführt.

Die Ergebnisse zeigen für die Reynoldszahlen 30.000 und 50.000 sehr gute Ergebnisse. Für die Reynoldszahl 100.000 ergeben sich gößere Abweichungen, die jedoch immer noch deutlich kleiner sind als diejenigen, die man bei Verwendung der üblichen Ansätze zur Bestimmung der äquivalenten Sandrauheit erhält. Die Ursache für die Abweichungen liegt nach jetzigem Kenntnisstand im verwendeten Turbulenzmodell. In einem vom Lehrstuhl eigenfinanzierten Projekt wird gegenwärtig an der Ursachenbehebung gearbeitet.

Zusätzlich wurde eine empirische Korrelation zur schnellen Abschätzung des ks-Wertes aus Messungen der Oberflächentopografie erarbeitet.

Die Ergebnisse des Projektes ermöglichen den Anwendern die schnelle und fundierte Bestimmung von ks-Werten für Pumpenoberflächen mit beliebigen Rauheiten.