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Dreidimensionale strömungsmechanische und thermische Analyse von einwelligen und zweiwelligen, achsparallelen rotierenden Verdrängermaschinen mit geraden oder mit verdrehten Rotoren.

Exklusiv und gratis: Fachinterview zur CFD-Simulation

Industriepumpen + Kompressoren sprach für die Ausgabe 4-2015 mit Sebastian Vlach von CFX Berlin über die Möglichkeiten der CFD-Simulation mit dem Programm TwinMesh und über „die Sache mit dem Netz“.

Interview zur CFD-Simulation

Die digitale Simulation komplexer Strömungsvorgänge, d. h. die Berechnung und Visualisierung der Bewegung von Flüssigkeiten und Gasen am Computer, kurz CFD (Computational Fluid Dynamics), ist nicht erst seit gestern eine echte Alternative zu der bisherigen experimentellen oder rein analytischen Untersuchung von Strömungsverhältnissen.
Der Leistungsfähigkeit der dreidimensionalen Simulationsmodelle sind aber immer noch manche Grenzen gesetzt, wenn es um den Abgleich mit dem physischen Modell, also mit der Realität geht. Besondere Herausforderungen treten vor allem auf, wenn es sich um die zeitabhängige (transiente) Berechnung instationärer Strömungen sowie um Simulationen für bewegte Geometrien handelt. Neben den numerischen Lösungsverfahren und der Genauigkeit der verwendeten physikalischen Modelle sind die Netzqualität sowie die Netzauflösung der solchen Simulationsmodellen zugrunde liegenden Rechengitter wesentliche Faktoren für die Prognosequalität von numerischen Modellen. 

Industriepumpen + Kompressoren sprach mit Sebastian Vlach von CFX Berlin über die Möglichkeiten der CFD-Simulation mit dem Programm TwinMesh und über „die Sache mit dem Netz“.

Grobes Rechengitter, bestehend aus 153.600 Elementen
Feines Rechengitter, bestehend aus 1.017.600 Elementen

IPK: Guten Tag, Herr Vlach. Für welche Maschinen ist eine CFD-Simulation sinnvoll? Welche Typen können in TwinMesh dargestellt werden?

Sebastian Vlach: Sinnvoll ist die numerische Simulation sicher für alle möglichen Maschinentypen wie Pumpen, Motoren, Verdichter und Expander, da Kosten für Prototypenherstellung und Versuche durch den Einsatz von Simulation deutlich reduziert werden können. Die TwinMesh-Software kann strukturierte Rechengitter für Gerotor-Pumpen, Innen- und Außenzahnradpumpen, zweiwellige Schraubenmaschinen, Scroll-Maschinen, Drehkolbenpumpen und sogenannte Roots-Gebläse generieren.

IPK: Wie hoch ist der Aufwand, auch zeitlich, eine solche Simulation durchzuführen? Welche Vorkenntnisse braucht der Anwender?

Sebastian Vlach: Wir sprechen hier über transiente, also zeitabhängige Berechnungen zur Auflösung von instationären Strömungsvorgängen. Man kann sich das wie einen Film oder ein Daumenkino vorstellen: für viele kleine Zeitschritte wird je eine Momentaufnahme/ein Zwischenergebnis numerisch berechnet. Im Anschluss an eine Simulation kann man sich dann zeitlich und räumlich aufgelöste Daten als Video über die Zeit, als Bild zu einem Zeitpunkt oder auch als Diagramm – zum Beispiel Druck in einem Punkt über die Zeit anschauen.

Je nach gewünschter Detailtiefe kann so eine Berechnung unter Umständen auch schon einmal einige Stunden bis Tage dauern. Das Erstellen der Modelle ist beim heutigen Stand der Technik keine große Hexerei mehr und eher die Arbeit von einem bis zwei Tagen. Der Konstrukteur oder der Berechnungsingenieur sollte aber natürlich Übung im Umgang mit dreidimensionalen Modellen sowie einen strömungstechnischen Hintergrund mitbringen. Die eigentliche Kunst ist es ja, die richtigen Rückschlüsse aus den Ergebnissen zu ziehen und bessere Maschinen zu bauen.

Geschwindigkeitsfeld in Ebene z = 39.00 mm für das grobe Rechengitter
Geschwindigkeitsfeld in Ebene z = 39.00 mm für das feine Rechengitter

IPK: Die perfekte Simulation, das perfekte Modell vorausgesetzt, wie wird das in die Realität umgesetzt?

Sebastian Vlach: In der Simulation können wir natürlich fast alles ausprobieren. Man kann beispielsweise auch den Einfluss von einzelnen Parametern untersuchen, die sich in der Realität nicht einzeln oder nur mit sehr großem Aufwand verschieden einstellen lassen. Materialeigenschaften wie Dichte oder Viskosität oder auch Spaltmaße sind für uns ja nur numerische Eingabewerte, die im Simulationsmodell einfach verändert werden können. Was dann fertigungstechnisch Sinn macht, ist die Kompetenz der Hersteller. Allerdings kann die Numerik auch hier sehr gut dabei helfen, ein gegen Fertigungstoleranzen robustes Design zu identifizieren.

IPK: Gerade bei der Entwicklung neuer Modelle bzw. Prototypen geht es auch bei den Herstellern streng vertraulich zur Sache. Wie sicher sind die Daten in Ihren Anwendungen?

Sebastian Vlach: Die meisten unserer Kunden verwenden die Software bei sich im Hause und haben natürlich die Hand auf den wirklich diskreten Daten. Cloud spielt schon allein wegen der zu übertragenden erheblichen Datenmengen meiner Meinung nach noch keine wirklich wichtige Rolle. Wenn es zum Datenaustausch kommen muss – im Rahmen der Einführungsphase und im Zusammenhang mit Anwenderberatung und Support – setzen wir auf gegenseitiges Vertrauen, zumeist natürlich vertraglich fixiert.

Wellenleistung aufgetragen über die Rotorstellung (Drehwinkel) für das feine und das grobe Gitter
Volumenstrom aufgetragen über die Rotorstellung (Drehwinkel) für das feine und das grobe Gitter

IPK: Bei der Auslegung neuer energieeffizienter Modelle kommt es oft auf Kleinigkeiten, kleinste Winkelpositionen und feinste Gitter an. Wie setzen TwinMesh und ANSYS CFX diese hohen Anforderungen um?

Sebastian Vlach: Sie haben es auf den Punkt getroffen. Strömung ist immer nicht-linear und kleinste geometrische Änderungen in einem Design können riesige Auswirkungen auf Funktionalität und Effizienz der Maschine haben. Details richtig widerzugeben ist daher die Kernanforderung an ein numerisches Modell. Ein Alleinstellungsmerkmal von TwinMesh ist, dass der Benutzer die volle Kontrolle über die Netzauflösung hat. Er kann die Anzahl der Gitterelemente in radialer Richtung, die axiale Netzauflösung und die Anzahl der umlaufenden Elemente beliebig einstellen und so immer ein gutes Netz mit ausreichender Auflösung aller Strömungsphänomene erzeugen. Um Gradienten gerade im wandnahen Bereich (Grenzschichteffekte) richtig aufzulösen, kann die Gitterauflösung zum Beispiel mit Wachstumsfaktoren für die Elementhöhe bzw. die Höhe von Elementschichten gesteuert werden.

Vergleich der Ergebnisse für Volumenstrom und Leistung aus Messung und Simulation

Veranschaulicht werden kann das anhand der Bilder und der Tabelle, die am Beispiel eines ölfreien Schraubenverdichters zeigen, dass es deutliche Unterschiede zwischen Berechnungsergebnissen mit einem groben Rechengitter und mit einem feinen Rechengitter gibt. Dargestellt wird das Geschwindigkeitsfeld in einer Ebene z = 39,00 mm. Auch ein Blick auf die Kennzahlen der Maschine und der Vergleich mit Messdaten zeigen klar den Einfluss der Netzauflösung auf die Prognosequalität des Modells. Und auch die Einhaltung von definierten numerischen Qualitätskriterien hat Einfluss – sowohl auf die Ergebnisqualität als auch auf die numerische Stabilität. Deshalb bietet TwinMesh die Möglichkeit, die numerische Qualität des Rechengitters bereits vor einer Simulation zu bewerten.

IPK: Herr Vlach, vielen Dank für das Gespräch.

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