Einsatz der CFD-Simulation im Armaturenbau Möglichkeiten und Grenzen

Transkript

1 Einsatz der CFD-Simulation im Armaturenbau Möglichkeiten und Grenzen VDMA CFD & Mehr Frankfurt am Main, Dr. sc. techn. Christian Mielke, Dipl. Ing. Oliver Herz MERKLE & PARTNER GbR Ingenieurbüro für Strukturanalyse, FEM, CFD Friedrichstraße Heidenheim / Germany Tel.: +49 (0) Fax: +49 (0) c.mielke@merkle-partner.de Web:

2 Übersicht 1 Vorstellung von MERKLE & PARTNER 2 Überblick über die praktische Anwendung 3 Detaillierte Beschreibung einer klassischen Anwendung 4 Vorteile und Risiken anhand von Beispielen 5 Zusammenfassung Folie 2

3 1. Vorstellung von MERKLE & PARTNER 1989 als einer der ersten CAE-Dienstleister in Deutschland gegründet rund 50 Mitarbeiter und über 300 Projekte pro Jahr Hauptsitz: Heidenheim Niederlassungen: Hamburg und Ingolstadt Folie 3

4 1. Vorstellung von MERKLE & PARTNER» Strukturanalyse» Strömungsmechanik» Produktentwicklung Folie 4

5 1. Vorstellung von MERKLE & PARTNER Strukturanalyse Beulen Dynamik / Schwingung Erdbeben-Simulation Festigkeit (linear und nicht-linear) FSI Fluid-Struktur-Kopplung Gummi- und Dichtungsberechnung Kontakt (mit und ohne Reibung) Kunststoff-Berechnungen Kurzzeitdynamik Lebensdaueruntersuchung Plastizität thermische Aufgabenstellungen Thermoschock Kinetik/Kinematik Druckbehälter-Auslegung nach verschiedenen Normen Folie 5

6 1. Vorstellung von MERKLE & PARTNER Strömungsmechanik stationäre / instationäre Strömungen laminare / turbulente Strömungen (inkl. verschiedener Turbulenzmodelle) inkompressible / kompressible Strömungen (transonisch, Überschall) Strömungen mit (gekoppeltem) Wärmeübergang (Wärmeleitung, Konvektion, Strahlung), Conjugated Heat Transfer CHT Mehrphasenströmungen (Sprays, Mischprozesse, Kavitation, Kondensation, Verdampfung, Strömungen mit freien Oberflächen etc. ) Komplexe Geometrien (inklusive bewegte Gitter z.b. Zylinderbewegung im Motor) Folie 6

7 1. Vorstellung von MERKLE & PARTNER Produktidee Abschätzung von Machbarkeit und Realisierung Produktentwicklung Entwicklung / Konstruktion Erstellung eines 3D CAD-Modells innerhalb eines definierten zeitlichen und finanziellen Rahmens Berechnung / Simulation Untersuchung und Auslegung hinsichtlich physikalischer Eigenschaften Produktion Auswahl eines geeigneten Fertigungsbetriebs und Begleitung der Produktion mit regelmäßiger Qualitätskontrolle Logistik / Montage Termingerechte Lieferung an den Einsatzort und Montage Folie 7

8 1. Vorstellung von MERKLE & PARTNER Kunden 204 Projekte Kunden 223 Projekte Kunden 301 Projekte 40% 45% Automobilindustrie Luft- und Raumfahrt Schiffsbau Maschinen- und Anlagenbau 5% 10% Folie 8

9 2. Überblick über praktische Anwendungen Übersicht gängiger Aufgabenstellungen im Armaturenbau Volumenstrombestimmung Strömungsverteilung und Ablösegebiete Druckermittlung und Druckverluste Temperaturverteilungen Mischvorgänge Kavitation Bauteilbelastungen aufgrund der Strömung FEM-Analysen Folie 9

10 2. Überblick über praktische Anwendungen CFD-Analyse: Badewannenarmatur Strömungsverteilung / Temperaturverteilung / Mischvorgänge Bestimmung und Optimierung des Volumenstroms Folie 10

11 2. Überblick über praktische Anwendungen CFD-Analyse eines Systemtrenners Druckbeanspruchung der Ventile Druckverlauf im Systemtrenner Differenzdruck über Eintritt Austritt Differenzdruck bei verschiedenen Massenströmen Differenzdruck p [bar] Durchfluss [m³/h] Folie 11

12 2. Überblick über praktische Anwendungen Kavitations-Analyse eines Schiebeventils Bereiche mit Kavitation statischer Druck < Verdampfungsdruck Folie 12

13 2. Überblick über praktische Anwendungen 1-D Simulation : Massenstromregelung über die Lamellenstellung eines KFZ-Ausströmers 1-D Modell: Regelung des Massenstroms Lamellen Folie 13

14 3. Beschreibung einer klassischen Anwendung CFD Analyse eines Schiebeventils Untersuchungsziel: Volumenstrombestimmung, Druckverlust, Kavitationsgefahr Folie 14

15 3. Beschreibung einer klassischen Anwendung 1. Geometrieaufbereitung Extrahieren Identifizieren des durchströmten Raumes Optimieren Reparieren Vorbereiten der Geometrie für Simulation Sortieren Sortieren der Geometrie nach Kriterien Vernetzungsfeinheit Randbedingungen physik. Eigenschaften Folie 15

16 3. Beschreibung einer klassischen Anwendung 2. Vernetzung Element-Typ Auswahl des Element-Typs je nach Aufgabenstellung Wandkriterium Zellgröße Ermittlung der Zellgrößen nach physik. Kriterien Sonderfälle Modellierung von notwendigen Sonderelementen je nach physik. Anforderungen, z.b. prismatische Schichten Folie 16

17 3. Beschreibung einer klassischen Anwendung 3. Simulation Definition der Randbedingungen Definition der Simulation Slipwall Outlet stationär / instationär Netzbewegung Fluideigenschaften Materialeigenschaften Turbulenzen Solver-Einstellungen / Stabilitätskriterien Monitorpunkte User-Defined-Functions Inlet Folie 17

18 3. Beschreibung einer klassischen Anwendung 4. Auswertung Stromlinien Isovolumen / Isoflächen Detailuntersuchung von Bauteilen und Komponenten Schnittebenen integrale Auswertung Folie 18

19 4. Vorteile und Risiken Vorteile der CFD-Analysen Sehen, was sonst keiner sieht CFD-Simulationen ermöglichen die Analyse der Strömung zu jedem Zeitpunkt und an jeder Position. Im Gegensatz zur Messung kann so nicht nur der Ist-Zustand an sich ermittelt werden, sondern auch die Gründe dafür verstanden werden. Analyse von nicht- oder nur schwer messbaren Größen Die Simulation kann neben Geschwindigkeit, Temperatur und Druck auch schwer zu messende physikalische Größen auswerten, z.b. Energiebilanzen, Wärmeeintrag oder Strömungskräfte auf Bauteile. Was-wäre-wenn Studien Durch die Simulation können grobe Ideen auf Machbarkeit oder Effizienz schnell untersucht werden, ohne Prototypen oder Versuche aufzubauen. So können Fehler in der Vorentwicklung verhindert und Innovationen beflügelt werden. Zeit- und Kostenersparnis bei korrekter Anwendung Folie 19

20 4. Vorteile und Risiken Risiken der CFD-Analysen Netzabhängigkeit Je nach physikalischer Aufgabenstellung gelten explizite Anforderungen an die Vernetzung des Rechengebiets. Dies kann zu erhöhtem Aufwand führen. Generell ist hier Erfahrung notwendig. Randbedingungen Für die Simulationen müssen im Vorfeld Randbedingungen ermittelt oder Annahmen getroffen werden. Diese sind oftmals nur schwer zu ermitteln, z.b. Strahlungseigenschaften eines Materials, jedoch haben sie entscheidenden Einfluss auf die Simulation. Rechengenauigkeit Anwendungsfehler Eine Simulation liefert immer ein Ergebnis. Werden die obigen Punkte nicht sorgfältig bedacht, gilt das Prinzip falscher Input falscher Output Folie 20

21 4. Vorteile und Risiken Vorteile und Risiken einer CFD-Simulation eines Druckminderers Aufgabenstellung: Ein Druckminderer schützt Anlagen vor einem zu hohen Versorgungsdruck. Der Druckminderer arbeitet nach dem Kraftvergleichsprinzip. Die Membrankraft wirkt der Federkraft des Regelventils entgegen. Im Betrieb wird allerdings beobachtet, dass das Ventil nicht vollständig öffnet, weshalb der geforderte Volumenstrom nicht erreicht wird. Annahme: Die Strömungskräfte auf das Ventil verursachen ein Ventilflattern. Mittels numerischer Simulation sollen die Strömungs- Kräfte auf das Ventil untersucht werden. Folie 21

22 4. Vorteile und Risiken Risiko der Simulation: unwirtschaftliches Vorgehen im Simulationsaufbau Um die Physik korrekt abzubilden, muss die Bewegung des Ventils in der Simulation über bewegte Gitter abgebildet werden Durch die hohen Strömungsgeschwindigkeiten am Ventil muss eine transiente Simulation mit sehr feiner zeitlicher Auflösung durchgeführt werden. Bewegung des Ventils Resultierende Simulationszeit: 2 Monate Vorteil bei Zeit und Kosten gegenüber einer Messung nicht gegeben Folie 22

23 4. Vorteile und Risiken Vorteil der Simulation: effizientes Vorgehen im Simulationsaufbau Statt die Bewegung des Ventils abzubilden, werden verschiedene Stellungen des Ventils stationär simuliert und die Kräfte auf das Ventil ausgewertet. Durch die Simulationsergebnisse konnte das Ventilflattern bestätigt und über Optimierungsmaßnahmen behoben werden. Bewegung des Ventils Resultierende Simulationszeit inkl. Optimierungen: 2 Wochen Vorteil bei Zeit und Kosten gegenüber einer Messung gegeben Zusammenfassung: Die Physik wurde in der Simulation vereinfacht dargestellt. Die Entwicklung vereinfachter Methoden sowie deren Interpretation erfordert Erfahrung im Bereich der numerischen Strömungssimulation Folie 23

24 5. Zusammenfassung Bei korrekter Anwendung der Simulationen können Zeit und Kosten gespart werden. Die Simulation führt zu einer Qualitätsverbesserung des untersuchten Produkts, da die Physik an jeder Stelle und zu jedem Zeitpunkt analysiert und optimiert werden kann. Besonders bei Grundsatz- und Innovationsuntersuchungen können Simulationen schnell und effektiv eingesetzt werden. Je höher die Anforderung an Genauigkeit ist, desto aufwändiger werden Simulationen. Die Simulationen sind stark von Randbedingungen und Vernetzung abhängig. Hier ist Erfahrung im Bereich der numerischen Simulation notwendig. Für den Armaturenbau sind die Simulationen besonders gut geeignet, da die Problem- und Aufgabenstellungen sehr gut erfasst werden können. Folie 24

25 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Haben Sie Fragen? Folie 25