Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Validierung der Lattice-Boltzmann Methode zur Simulation der Strömung und Akustik in Radialventilatoren

In dem angestrebten Vorhaben soll der kommerzielle Lattice-Boltzmann-Code „PowerFlow“ zur Simulation der Aerodynamik und Akustik eines in einem Spiralgehäuse eingebauten Radialventilators genutzt werden. Zur Validierung werden strömungstechnische und akustische Messungen durchgeführt. Dabei ist zu beantworten, welche Möglichkeiten die Lattice-Boltzmann Methode (LBM) prinzipiell zur Simulation von Radialventilatoren bietet. Mindestens genauso wichtig ist aber die Beantwortung der Frage, welche Restriktionen und Anforderungen die Anwendung des Codes begrenzen.

Um das Tool im Anschluss an das Projekt unter Berücksichtigung der zur Verfügung stehenden Ressourcen mit vertretbarem numerischem Aufwand auch bei KMUs effizient nutzen zu können, sollen „Best-Practice-Guidelines“ erarbeitet werden. Diese umfassen Empfehlungen bzgl. der erforderlichen zeitlichen und räumlichen Diskretisierung (z.B. zur Auflösung der Spalte) sowie bzgl. der vorzugebenden Randbedingungen und Solvereinstellungen. Der kommerzielle Softwarehersteller stellt über das Projektende hinaus den Support (Weiterentwicklung, Updates, etc.) sicher.

Darüber hinaus ist im Projekt ein fundamentaler Erkenntnisgewinn über die relevanten Geräuschquellen bei Radialventilatoren in typischen Einbaufällen zu erwarten. Neben der Lokalisierung der Quellen umfasst dies insbesondere das Verständnis der Schallentstehungs-Mechanismen. Beispielsweise treten bei einem Radialventilator durch den Einbau in einem Spiralgehäuse oftmals starke tonale Überhöhungen im Zungenbereich (Spalt zwischen Radiallaufrad und Zunge) auf. Die betragsmäßig größten Überhöhungen findet man im Frequenzspektrum bei der „Blade Passing Frequency (BPF)“ und Vielfachen davon. Des Weiteren entstehen durch den Einbau in Geräten infolge der räumlich gestörten Zuströmung zum Radialventilator häufig breitbandigen Zusatzgeräusche.

Ergebniszusammenfassung:

Im Vordergrund der Untersuchungen stand die Beantwortung der Frage, welche Möglichkeiten die LBM prinzipiell zur Simulation von Radialventilatoren bietet und welche Restriktionen und Anforderungen die Anwendung der kommerziellen Codes begrenzten.

Es konnte gezeigt werden, dass die LBM genutzt werden kann, die aerodynamische Performance und die Akustik von Radialventilatoren in typischen Einbausituationen zu modellieren. Die Einbauzustände umfasste dabei die Untersuchung des Ventilators ohne sowie mit Spiralgehäuse und eine geänderte Zuströmbedingung mittels eines sogenannten Installationseffektes. Die Modellierung dieser unterschiedlichen Einbausituation lieferte den Nachweis, dass sowohl tonale auftretende als auch breitbandige Geräuschquellen modelliert werden können.

Des Weiteren lieferten die Projektergebnisse, dass Modifikationen im Zungenbereich, die die tonale Geräuschabstrahlung beeinflusst, sowie im Zuströmbereichs des Ventilators, wodurch breitbandige Geräusche beeinflusst wurden, mit der LBM hinreichend genau vorhergesagt werden kann.

Gerade letzter Punkt ist für die Weiterentwicklung von Radialventilatoren essenziell, da damit die Methode im industriellen Entwicklungsprozess verwendet werden kann, um eine zielgerichtete Optimierung durchzuführen und somit effizientere und leisere Radialventilatoren zu entwickeln.