VoluteGen ist ein im Rahmen des generischen Modells entstandenes Programmpaket, das bei der Strömungsanalyse von Spiralen eingesetzt werden kann.

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1 VoluteGen VoluteGen ist ein im Rahmen des generischen Modells entstandenes Programmpaket, das bei der Strömungsanalyse von Spiralen eingesetzt werden kann. "VGenMod" bietet die Möglichkeit, Sammelgehäuse auf einfache Art parametrisiert auszulegen und zu modellieren. Neben der Neuentwicklung von Spiralen können auch vorhandene Geometrien eingelesen und aufbereitet werden. Das Tool "VGenPart" unterstützt den Anwender bei der Partitionierung einer vollständig ausgelegten und modellierten Spirale zum Zwecke einer späteren automatischen Hexaeder-FEM-Vernetzung für geplante CFD-Rechnungen. Der letzte Schritt im vorgesehenen Ablauf der Programme ist die schnelle und komfortable Vernetzung des partitionierten Modells mit "NetGen". Modellierung und Geometrieexport Übersicht Die Software VGenMod entstand im Rahmen des Generischen Modells und bietet die Möglichkeit, Sammelgehäuse auf einfache Art parametrisiert auszulegen und zu modellieren. Dabei besteht nicht nur die Möglichkeit, Spiralen von Grund auf neu zu entwickeln, sondern auch bereits vorhandene Geometrien, z.b. aus Inhouse-Software, einzulesen und aufzubereiten. Dazu stehen native ASCII-Formate und ein generischer Import mittels IGES-Dateien zur Verfügung. Dabei wurde ein besonderes Augenmerk darauf gelegt, den Durchdringungs- oder Zungenbereich zu modellieren.

2 Aufbau eines Datensatzes Der Aufbau eines Datensatzes ist grob in vier Teilschritte gegliedert: 1.: Setzen der Randbedingungen 2.: Modellieren von 2D-Querschnitten 3.: Erzeugung des 3D-Modells

3 4.: Gestaltung des Durchdringungsbereiches Die Strategie beim Modellieren einer Spirale liegt bei der Software VGenMod darin, anhand weniger ausgewählter Querschnitte das Volumen zu definieren. Diese werden entlang eines Grundkreises aufgefädelt und mit Hilfe geeigneter Algorithmen ineinander überführt (gemorpht). Definierende Querschnitte Berechnete Querschnitte Modellieren der 2D-Querschnitte Neben der Möglichkeit, über eine Importfunktion bereits vorhandene Querschnitte in Form von IGES-Dateien aus einer CAD-Software einzulesen, kann der Anwender diese mit Hilfe vieler Tools auf einfachste Art und Weise gestalten. Die Querschnitte werden mit Hilfe von NURBS modelliert, so dass vor allen Dingen eine Nachbearbeitung anhand weniger Kontrollpunkte vollzogen werden kann. Dabei können sowohl vorhandene Splines verändert, als auch neue Splines erzeugt werden. Die Software hat dabei nicht das Ziel, vorhandene CAD-Pakete nachzubilden, auf Funktionen wie Constraints wird deshalb verzichtet. Nichtsdestotrotz stehen umfangreiche Gestaltungs- und Manipulationsmöglichkeiten zur Verfügung.

4 Gestaltung durch Verschieben von Kontrollpunkten Trim/Extend Funktionen Bearbeitung der Tangenten Neben Grundfunktionen wie dem Erzeugen neuer Splines, Schneiden, Löschen und Verändern kann der Anwender die Querschnitte anhand verschiedener Zielfunktionen anpassen, so dass sehr schnell Varianten erstellt werden können. Dieser Vorgang wird als Wachsen bezeichnet. Modellierung im 3D-Bereich Nachdem alle Masterquerschnitte vorhanden sind, werden die restlichen Querschnitte durch einen Morphalgorithmus ermittelt. Der Grad der Funktion ist hierbei frei wählbar. Besonderes Augenmerk muss auf den Durchdringungsbereich zwischen Spirale und Diffusor gelegt werden. Dieser wird als Zungenbereich bezeichnet. Es bestehen nun mehrere Möglichkeiten, den Datensatz fertig zu stellen.

5 Vermeidung einer Durchdringung Mit ISO-Clipping den Spiraloder Zungenbereich nachbearbeiten ("ausbeulen") Herausschneiden der Zunge Verschneiden der Spirale und des Diffusors Beispielhaft wird die Verschneidung zwischen Spirale und Diffusor erklärt. Zunächst muss für alle weiteren Schnitte der Zungenbereich definiert werden. Dieser wird quasi aus der Spirale und dem Diffusor herausgeschnitten und kann fortan separat bearbeitet werden. Danach wird die Durchdringungslinie, im weiteren Verlauf Schnittspline genannt, berechnet.

6 Die Gestaltung des Zungenbereiches Dieser Programmabschnitt verschneidet die Spirale mit dem Diffusor. Dazu muss die Fläche der eigentlichen Zunge aus beiden Mantelflächen herausgeschnitten werden. Dies geschieht durch Patchen der großen Flächen in geeignete kleinere Patches, die ein sauberes Verschneiden ermöglichen. Prinzipiell ist nach diesem Vorgang die grundlegende Modellierung der Spirale abgeschlossen.

7 CAD-Export Der Datensatz kann jetzt entweder im Partitionierer partitioniert oder mittels eines CAD-Exports in einer externen CAD- Software weiterverarbeitet werden, zum Beispiel zur Bildung eines Solidmodells. Der nebenstehende Screenshot visualisiert beispielhaft den Export in das Paket CATIA. Exporte werden mit Hilfe des IGES-Formates realisiert, das von allen gängigen CAD-Paketen verarbeitet werden kann. Fortgeschrittenes Modellieren Verrundung der Schnittkante Soll der Bereich, an dem die Zunge herausgeschnitten wurde, im weiteren Verlauf nicht als spitze Kante behandelt werden, so muss diese mit Hilfe eines Fillets verrundet werden. Der Anwender kann dazu auf implementierte Funktionen zurückgreifen. Erzeugung verschiedener Varianten durch Wachsen Für Spiralen mit beliebigen Querschnittsformen und besonders dann, wenn der Anwender frei in der Entscheidung der Spiralabmaße ist, bietet diese Funktion eine komfortable Methode, Spiralen zu entwerfen, die für einen gewünschten Volumenstrom ausgelegt werden sollen. Hierbei werden die Flächen der Masterquerschnitte dem Volumenstrom entsprechend unter Berücksichtigung des Drallsatzes (reibungsfrei) vergrößert oder verkleinert.

8 Dies geschieht auf Wunsch für alle vorhanden Masterquerschnitte. Als weitere Zielfunktion kann der Flächeninhalt gewählt werden. Diese Zielfunktion kann auch im Bereich des Diffusors angewendet werden, während der Volumenstrom als Zielfunktion natürlich nur im Bereich der Spirale sinnvoll einsetzbar ist. Diese Flächen- und Volumenstromverläufe können über CSV-Dateien zum Beispiel mit Excel ausgetauscht werden, so dass auch hier die Möglichkeit einer Verknüpfung mit externen Auslegetools besteht. Durch Vorgabe eines neuen Volumenstromverlaufs kann der Anwender mit wenigen Mausklicks die fertige Geometrie erzeugen. Partitionierung VGenPart Das im folgenden kurz beschriebene Software- Tool "VGenPart" unterstützt den Anwender bei der Partitionierung einer vollständig ausgelegten und modellierten Spirale zum Zwecke einer späteren automatischen Hexaeder-FEM- Vernetzung für geplante CFD-Rechnungen. Die Ausgangsdaten, rechts zu sehen, sind vorwiegend querschnittsbasiert vorhanden. Eingangsdatensatz

9 Einzelne sogenannte Masterquerschnitte können selektiert und in einem 2D-Fenster separat bearbeitet werden. Ausgewählter Masterquerschnitt Zum Bearbeiten gehört dabei vor allem das Hinzufügen von Partitions-Splines in den Geometriequerschnitt, um eine spätere automatische Hexaeder-Vernetzung zu gewährleisten. Partitionierter Masterquerschnitt

10 Eine andere Bearbeitungsmöglichkeit ist die Gestaltung der Geometrie-Splines und/oder der Partitions-Splines über die vorhandenen Kontrollpunkte der NURBS-Splines. Masterquerschnitt in Bearbeitung (Kontrollpolygon in gelb) Fertiggestellte Partitionen können als Template abgespeichert und aufgrund der internen Parametrisierung in anderen Masterquerschnitten durch ein automatisches Anpassen schnell und effektiv weiterverwendet werden. Fertigstellung eines Masterquerschnitts

11 Die vollständige Partitionierung und Zuweisung aller Masterquerschnitte ist dreidimensional in der linken Abbildung dargestellt. Alle partitionierten Masterquerschnitte In dem folgenden Vervollständigungsschritt werden alle partitionierten Masterquerschnitte im sogenannten Morph-Prozess in Zwischenquerschnitte überführt, die dann eine fast komplette 360 -Spirale bilden.

12 Gemorphte Gesamtspirale Der verbleibende Restbereich, innerhalb der Software als Zungenbereich bezeichnet, ist der Durchdringungsbereich von Spirale und Kegeldiffusor. Dieser Bereich kann nur noch begrenzt zweidimensional behandelt werden. Da die vorhandenen Partitionen in der Spirale und im Kegeldiffusor nicht mehr weiter in den Zungenbereich geführt werden können, entsteht hier ein separat zu bearbeitender Teilbereich, der in den nachfolgenden CFD-Berechnungen über nicht gleichmäßig vernetzte Interfaces verbunden wird. Ausgangsdaten des Zungenbereiches Die Partitionen in diesem Teilbereich werden komplett dreidimensional am Bildschirm aufgebaut.

13 Die Partitionen können wiederum als Template abgespeichert werden, um sie auch in ähnlich aussehenden Spiralen weiterverwenden zu können. Weiterhin ist es, wie in beiden rechten Abbildungen zu sehen, auch möglich, Teilpartitionen zu speichern und diese hintereinander einzuladen und zu bearbeiten. Teilpartition Vervollständigte Partition Die komplett partitionierte Spirale, in nebenstehenden Abbildung zu sehen, kann in einem internen Datensatz gespeichert und einem nachfolgenden Programm zur automatischen Hexaeder-Vernetzung übergeben werden. Komplett partitionierte Spirale Vernetzung Netzgenerierung mit NetGen In NetGen können schnell und komfortabel die Netze auf die in der Partitionierung erstellten Drahtmodelle generiert werden. Die nachfolgende Abbildung zeigt den Programmablauf.

14 Programmablauf Die fertig gestellten Partitionsblöcke aus VolutGenPart, nämlich Spirale, Zungenbereich und Diffusor, werden in NetGen einzeln eingelesen und auf ihr Drahtmodell ein Netz mit gewünschter Knotendichte generiert. In der nachfolgenden Abbildung sind die einzelnen Partitionsblöcke abgebildet.

15 Partitionsblöcke Bevor allerdings eine Netzgenerierung ausgeführt werden kann, muss zuvor aus dem Drahtmodell ein Volumenmodell erzeugt werden. Zusätzlich werden spezielle Flächen des Modells gruppiert, damit eine spätere Auswahl der auf den gruppierten Flächen befindlichen Knoten in der Strömungssoftware möglich ist. Region definieren Die Auswahl einzelner Partitionsflächen erfolgt über eine Liste in einem Menü- Fenster. Dort lässt sich dann eine Zuweisung der ausgewählten Fläche zu einer bestimmten Region durchführen. Oftmals sind Flächen bereits durch die gesetzten Spline-Attribute in VoluteGenPart richtig gruppiert, doch über das oben beschriebene Verfahren lassen sich die restlichen Flächen sehr schnell und elegant dem richtigen Regionstyp zuweisen (linke Abbildung). Die jeweilige Knotenanzahl wird über die Anzahl der Elemente definiert, die in NetGen über das Netz-Parameter-Menü bestimmt wird. Im Menü besteht die Möglichkeit, auf vordefinierten Partitions-Splines die Anzahl an Elementen festzulegen (Abbildung "Netzparameter").

16 Netzparameter In dem Beispiel aus der obigen Abbildung werden auf den rot gekennzeichneten Splines elf Elemente gesetzt. Diese Festlegung der Elementanzahl wird nun für sämtliche Spline-Gruppen wiederholt. Als geeignete Methode erweist sich ein rekursives Verfahren. Das bedeutet, dass man einfach die jeweilige Anzahl der Elemente abschätzt, das Netz generieren lässt und über eine Netzinfo-Box die tatsächliche Anzahl der Knoten aufruft. Stimmt ihre Anzahl nicht, so kehrt man zurück ins Netz-Parameter-Menü und vergrößert bzw. verkleinert die Anzahl der Elemente auf bestimmten Spline-Gruppen. Iteration der Elementanzahl

17 Nach der richtigen Auswahl an Elementzahlen und anschließender Netzgenerierung besteht bereits ein vollständiges Netz, jedoch muss für die numerische Berechnung eine Verdichtung der Knoten zur Grenzschicht hin vorgenommen werden, um die Strömungsverhältnisse realitätsnah abbilden zu können. In NetGen wird die Verdichtung, das sog. Biasing, über das Biasing Icon aufgerufen. Hier kann aus verschiedenen Verdichtungsfunktionen die Art der Knotenverdichtung entlang eines Partitionssplines ausgewählt werden (Abbildung "Biasing Menü"). Biasing Menü

18 Um zusätzlich eine höhere Rechengenauigkeit in der späteren Strömungsberechnung zu erhalten, wird auch eine Verdichtung der Knoten zu den jeweiligen Interfaces vorgenommen. In der rechten Abbildung ist die Verdichtung der Elemente zum Interface hin zu erkennen. Bias zum Interface In der nachfolgenden Abbildung ist der Unterschied von verdichteten und nicht verdichteten Elementen zur Grenzschicht hin erkennbar. Nach der Verdichtung muss das gesamte Netz unbedingt noch einmal neu generiert werden, damit die Veränderungen vom Programm übernommen werden. Interface mit und ohne Bias

19 Die beiden folgenden Abbildungen stellen das Ergebnis der Vernetzung dar. Netz der Spirale Netz der kompletten Stufe