Anwendungsmäglichkeiten von Strämungssimulationen im Armaturenbereich

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1 -----.JZ!m!mml- Anwendungsmäglichkeiten vn Strämungssimulatinen im Armaturenbereich Fields f applicatin fr cmputatinal fluid dynamics in cntrei valve develpment Jörg Kiesbauer, Dmagj Vnucec Die Entwicklungsprzesse vn Prdukten unterliegen ständig einer Optimierung. Mithilfe vn neuen Entwicklungswerkzeugen versuchen Unternehmen t Zeit und Ksten bei der Entwicklung vn neuen Prdukten zu reduzieren. Ein nch nicht weit verbreitetest aber immer mehr akzeptiertes Werkzeug ist hierbei die Strämungssimulatin vn 3D-CAD Mdellen. In diesem Beitrag werden für die Industriearmaturen verschiedene Einsatzmäglichkeiten dieses Werkzeuges vrgestellt. Prduct develpment prcesses are cntinually being ptimized. Cmpanies use new R&D tls that help them reduce the lead time and csts needed fr the develpment f new prducts. Cmputatinal fluid dynamics using 3-D CAD mdels is such a tlt which is still used rarely but whse acceptance is grwing cnstantly. This article examines varius applicatins fr flw simulatin in the develpment f cntrl valves. Anfrderungen Numerische Simulatinen vn Strömungsvrgängen finden in immer mehr Industriezweigen Zuspruch und werden zunehmend als Entwicklungswerkzeug eingesetzt. Basis dieses Werkzeuges ist ein sgenannter CFD-Cde (Cmputatinal Fluid Dynamicsl, der mittlerweile in zahlreichen Prgrammen seine Verwendung findet. Diese Strömungssimulatinsprgramme lassen sich zum einen unterteilen in sgenannte High-end Prdukte. Diese zeichnen sich durch ihre Kmplexität und ihre vielen Einstellmöglichkeiten aus und lassen sich auf nahezu jedes strömungstechnische Prblem anwenden. Zum anderen treten vermehrt CFD-Prgramme in den Vrdergrund, die auch als EFD-Cdes (En- gineering Fluid Dynamics) bezeichnet werden. Ein wesentliches Merkmal dieser Prdukte ist eine auf den Entwicklungsingenieur zugeschnittene, teilautmatisierte Umsetzung der numerischen Strömungssimulatin. Die Nutzung vn numerischen Simulatinsprgrammen stellt jedch einige Anfrderungen an die Anwender. S wird zum einen je nach Cde ein gewisses strömungstechnisches Wissen vrausgesetzt. Bei den CFD-Cdes sind beispielsweise aufgrund der zahlreichen Einstellmöglichkeiten umfassende Kenntnisse im Bereich der Strömungsmechanik ntwendig, während die EFD Cdes durch ihren hhen Grad der Autmatisierung lediglich ein Grundwissen vraussetzen. Bestimmung des Durchflusskeffizienten ky Die Anwendung vn CFD-Prgrammen im Armaturenbereich ist in der heutigen Zeit in gewissen Entwicklungsstadien eines Bauteils als ergänzendes Entwicklungswerkzeug unerlässlich. Neben dem Vrteil des Optimierungsprzesses vn Drsselkörpern und Gehäusen innerhalb der Knstruktinsphase ermöglicht es die Strömungssimulatin, sehr grße Durchflusskeffizienten zu ermitteln. Dieser Aspekt ist deswegen vn grßer Bedeutung, da nur wenige Prüfstandseinrichtungen die Chance bieten, grße Nennweiten mit den entsprechenden kv-werten zu testen. Da aber die Anlagen immer größer werden, steigen daher auch immer weiter die erfr Indus'riearmaturen. He. 2/2009 M;

2 ~ Ourchflussrichtu ng Prüfbjekt 2 0N 6 0N Bild 1: Mdellaufbau für eine CFD-Berechnung Fig. 1: Mdel structure für CFD calculatin den. Nach Nrm ist es zwar auch nch möglich, ein kmpressibles Medium (mit Ausnahme vn gesättigten Dämpfen) als Testmedium zu verwenden, im Falle der Strömungssimulatin ist jedch die Berechnung mit einem kmpressiblen Medium deutlich zeitaufwändiger. Daher ist als Testmedium Wasser zu bevrzugen. derlichen Durchflusskapazitäten und smit auch die entsprechenden Ventilnennweiten. Eine Möglichkeit, auf diesen Trend zu reagieren, wäre, die entsprechenden Prüfstandsdimensinen an die neuen Anfrderungen anzupassen, was jedch hhe Ksten zur Flge hätte. Kstengünstiger hingegen ist die alternative Ermittlung des Durchflusskeffizienten auf Basis einer CFD-Berechnung, die allerdings bisher in keiner Nrm hinterlegt ist. In der EN wird bisher nur die messtechnische Ermittlung des Durchflusskeffizienten beschrieben. mung der Durchflusskapazität müssen gewisse Randbedingungen gesetzt werden, die aus den Kriterien der ben genannten Nrm herangezgen werden können. S ist beispielsweise definiert, dass als inkmpressibles Testmedium Wasser verwendet werden sll, dessen Temperatur zwischen 5 C und 40 C liegen muss. Da bei der Strömungssimulatin kein Wärmeeinfluss durch die Pumpe vrliegt, kann bei der CFD-Berechnung eine knstante Temperatur am Ventileintritt swie -austritt (beispielsweise 20 C) vrgegeben wer- Des Weiteren sllten die Rhrnennweiten im Vr- und Rücklauf des zu untersuchenden Ventils der Nennweite des Testbjektes (inklusive möglicher Reduzierungen, Erweiterungen der anderer Fittings) entsprechen. Die zu berücksichtigenden Druckmessstellen sind s definiert, dass der Vrdruck Pl in einem Abstand vn zweimal der Rhrnennweite vr dem Ventil und der Nachdruck P2 in einem Abstand vn sechs mal der Rhrnennweite nach dem Testbjekt abgenmmen wird. Basierend auf diesen Anfrderungen sllte smit für die numerische Berechnung vr dem zu untersuchenden Ventil ein Rhrstück der Länge Verfahrensbeschreibung Nachflgend wird ein Verfahren gezeigt, mit dem eine CFD-basierte k v Wert-Berechnung durchgeführt werden kann. Grundvraussetzung für eine zuverlässige Anwendung vn CFD-Tls ist die Kalibrierung eines gemetrischen Mdells (s. Bild 2). Das Prblem besteht nämlich darin, dass je nach Qualität des generierten Netzes zum Teil deutliche Abweichungen zwischen Simulatin und Messung vrliegen. Dies bedeutet für die Ventil- bzw. Kegelknstruktin, dass zuerst für ein gemetrisch ähnliches Mdell (geringfügige Mdelländerungen der Anderung der Dimensin) ein Vergleich zwischen dessen Strömungssimulatin und einem entsprechenden Messergebnis vrgenmmen werden muss. Falls an dieser Stelle eine höhere Abweichung als 5 %vrliegt, s muss das Gitter s lange ptimiert werden, bis die zulässige Tleranz vn 5 % eingehalten wird. Mit den ermittelten, ptimalen Einstellparametern hinsichtlich der Gittergenerierung können anschließend gemetrisch ähnliche Mdelle, aber mit größeren Abmessungen, mit einer ähnlichen Abweichung simuliert werden. Hinsichtlich der numerischen Bestim- A.1 Kalibrierung der Strömungssimulatin A.2 Durchführung der Strömungssimulatin Einstellungen: Mdelleintritt: Mdellaustritt: Knvergenzparameter: Knver enzkriterium: Ja Start Heranziehen eines gemetrischen Mdells, für das Messergebnisse vrliegen p, = 10 bar(a) T, =20 C P2 = 9 bar(a) T 2 = 20 C Massenstrm 2% W Start Einstellungen: Mdelleintritt: Nein Verwendung der ermittelten Netzeinsteilungen für gemetrisch ähnliche Mdelle P, = 10 bar(a) T, = 20 C W (Schätzwert) T 2 = 20 C Ausgangsdruck 0,1 bar Bild 2: Flussdiagramm für die CFD-basierte Ermittlung vn Durchflusskeffizienten Fig. 2: Flw-sheet fr CFD-based determinatin f flw cefficients Industr;rmturen. Heft 2/2009 M; 1 149

3 ----Jmmrmm'-- 2 x DN swie nach dem Ventil ein Rhrstück der Länge 6 x DN platziert werden (Bild 1). Für die Strömungssimulatin wäre nrmalerweise das Distanzstück vr dem Ventil nicht ntwendig, da der Druck bis zum Ventileintritt knstant bleibt. Es können aber auch Stellklappen als Prüfbiekte verwendet werden und deren Klappenblätter ragen in geöffneter SteIlung in die Rhrleitung hinein. Aus diesem Grund und um mit der messtechnischen Sensrenanrdnung knfrm zu bleiben, wird auch für die Simulatin die entsprechende Rhrleitungslänge vr dem Prüfbjekt berücksichtigt. Nach dem Ventil ist hingegen auch für die CFD-Berechnung eine entsprechende Auslaufstrecke ntwendig (6 x DNL um zum einen den Differenzdruck wie bei einer Messung zu erhalten und zum anderen eher eine Knvergenz bei der Simulatin zu erreichen. Bei der numerischen Ermittlung des Durchflusskeffizienten kann zwischen zwei Simulatinsverfahren gewählt werden (Bild 2). Die erste Optin besteht darin, dass am Mdelleintritt und -austritt jeweils ein Druck definiert wird. Um mögliche Einflüsse wie beispielsweise die Kavitatin unabhängig vm Ventiltyp zu vermeiden, sllte möglichst ein hher Eingangsdruck (beispielsweise Pl = 10 bar(a)) und ein Differenzdruck vn ~p = 1 bar eingestellt werden. Als Knvergenzparameter muss dann der Massenstrm gewählt werden. Der Nachteil bei diesem Verfahren besteht jedch darin, dass Strömungssimulatinen basierend auf zwei Druckvrgaben nicht immer knvergieren. In slchen Fällen muss auf das zweite Verfahren zurückgegriffen werden. Optimale Einstellungen sind hingegen durch Vrgabe vn Druck und Durchfluss gegeben. Daher sllte wie beim ersten Verfahren am Eintritt des Strömungsvlumens ein Eingangsdruck vn Pl = 10 bar(a) eingestellt werden. Am Mdellaustritt wird beim alternativen Verfahren hingegen ein Massenstrm definiert. Die Höhe des Durchflusses muss im ersten Berechnungsvrgang jedch geschätzt werden. Als Knvergenzparameter muss dann bei diesem Verfahren der Ausgangsdruck des Mdells gewählt werden. Falls mit dem geschätzten Durchfluss kein Differenzdruck vn ~p = 1 Bild 3: Wasserprüfstrecke der SAMSON AG in Frankfurt am Main Fig.3: SAMSON AG's water-test line at Frankfurt am Main bar (zusätzlich einer Tleranz vn ± 0,2 bar) erreicht werden kann, s muss eine erneute Simulatin durchgeführt werden. Der entsprechende Massenstrm für die neue Berechnung ergibt sich aus dem Durchflusskeffizienten, der auf den Daten der vrher durchgeführten Simulatin basiert. Bei beiden Verfahren müssen gewisse Knvergenzkriterien erfüllt werden. Um die Vergleichbarkeit zur messtechnischen Bestimmung des kv-wertes beizubehalten, rientieren sich die Knvergenzkriterien daher an den zulässigen Tieranzen der entsprechenden Messsensrik. S liegt swhl für den Druck als auch für den Durchfluss eine zulässige Messtleranz vn 2 % vm jeweiligen Messwert vr. Validierung des Verfahrens Um eine Aussage über die Genauigkeit vn Strömungssimulatinen zu treffen, haben die Autren eine Validierung der CFD-basierten Bestimmung vn Durchflusskeffizienten durchgeführt. Für die Validierung sind verschiedene Ventilknfiguratinen wie Durchgangsventil, hne Kegel Durchgangsventil, parablischer Kegel Durchgangsventil, Tellerkegel Durchgangsventil, Schlitzkegel Durchgangsventil, Lchkegel Stellklappe Drehkegelventil Kugelseg mentventi I in den Nennweiten DN 20 bis DN 400 und entsprechenden Durchflusskeffizienten bis kv 6500 herangezgen wrden. Die Messungen hierfür sind zum größten Teil am Entwicklungsprüfstand der SAMSON AG (in Frankfurt am Main; messbare Nennweiten: DN 15 bis DN 400) aufgenmmen wrden (Bild 3). Nur die grßen Durchflusskeffizienten (kv > 1300 m 3 /h) der Stellklappen des Tchterunternehmens Leusch sind extern an einem Institut in Delft (Niederlande) ermittelt wrden. Die entsprechenden numerischen Berechnungen sind mit einem EFD-Cde durchgeführt wrden. Bild 4 zeigt für die aufgelisteten Ventilund Kegelausführungen einen Vergleich zwischen gemessenen und auf CFD-Basis ermittelten Durchflusskeffizienten. Aus diesem Diagramm wird ersichtlich, dass unabhängig vn der Strömungsgemetrie im Ventilinneren eine relativ hhe Genauigkeit vn ± 5 % mit der Strömungssimulatin erreicht werden kann. Das angegebene Tleranzband kann jedch nur realisiert werden, indem ein weitgehend ptimales Netz über das Strömungsvlumen gelegt wird. Gröbere Gitterstrukturen führen hingegen zu deutlich höheren Abweichungen in Höhe vn etwa 20 %. Daher ist es enrm wichtig, mittels einer Kalibrierungssimulatin die Einstellungen für ein ptimales Netz zu ermitteln. Diese können anschließend für ein gemetrisch ähnliches Strömungsvlumen angewendet werden, mit der Sicherheit, dass in etwa die Genauigkeit aus der Kalibrierungsberechnung erreicht wird. 150 Iindus'dearma,uren. He. 2/2009. Ma;

4 '~ 10 -r , , , , I 8-/ ;-----!-----, , I 6 -/ =I x==----~~ ~-t -. ~.O I 0 '" f' '".. ~......~.- 4 I rt <' 18 -/-----'-----:! '--It---~----' '-----t -I 0' ~ Stellklappe G Drehkegelventil 100 kv,messung [m 3 /h],. L~ c t ~ C) 0 4J s::: ~ 0.s::: 0 -t ~i---~ i.~. -) ~ Ö!«I r -2 -/ I ~ :----, ~-----I I : -4 -/ ' I +r I T ,. -6 -/ , : ~ '-- -, Durchgangsventil, hne Kegel Durchgangsventil, parablischer Kegel Durchgangsventil, Tellerkegel Durchgangsventil, Schlitzkegel Durchgangsventil, Lchkegel Kugelsegmentventil Tleranzband: +/- 5 % Bild 4: Abweichung des CFD-berechneten kv-wertes im Vergleich zur Messung Fig. 4: Deviatin f the CFD-calculated kv value vis-a-vis the measurement Kavitatin Bei flüssigkeitsdurchströmten SteIlventilen ist es möglich, dass in Abhängigkeit der Przessdaten swie der Ventilausführung Kavitatin auftritt. Dieser Zustand ist zum einen mit einer deutlichen Zunahme der Schallemissin (s. Bild 8) verbunden. Zum anderen kann je nach Intensität der Kavitatin eine Ersin im Bereich der Kegelgarnitur stattfinden. Bestimmung des Kavitatinsbeginns XFz i Ähnlich dem beschriebenen Verfahren für die Bestimmung des Durchflusskeffizienten (siehe Bild 2) kann durch die wahlweise Anwendung der beiden Simulatinsmethden eine numerische Berechnung durchgeführt werden. Im Vergleich zu dem Flussdiagramm A.2 ist jedch beim zweiten Verfahren keine Überprüfung hinsichtlich des Differenzdruckkriteriums ntwendig und smit entfällt auch eine Wiederhlungsberechnung basierend auf diesem Kriteri- um. Vraussetzung für eine weitere Auswertung ist eine stabile Berechnung des Durchflusskeffizienten. Dies bedeutet, dass die Abweichung zu dem berechneten Wert aus dem kv-flussdiagramm möglichst gering sein sll. Hinsichtlich der Auswertung besteht ein weiterer Unterschied zu dem kv-flussdiagramm darin, dass anstatt der Berechnung des Durchflusskeffizienten ein Vergleich des minimal berechneten, statischen Druckes mit dem Dampfdruck durchgeführt wird. Kavitatin liegt dann vr, wenn der Dampfdruck erreicht bzw. unterschritten wird. Für die Kavitatinsbestimmung kann beispielsweise die grafische Darstellung des Druckverlaufes innerhalb eines Stellventils herangezgen werden (Bild 5). Um die entsprechende Auswertung zu vereinfachen, ist in Bild 5 der relevante Bereich zwischen Kegel und Sitz vergrößert und mit einer feineren Skalierung dargestellt. Smit entspricht im gezmten Ausschnitt die rte Fläche (entspricht p = 0,04 bar) dem kavitatinsfreien Bereich (da 0,04 bar = p > pv = 0,02 bar). Die andersfarbige Fläche stellt hingegen die Kavitatinszne dar. Hinsichtlich des Druckminimums ist zu bemerken, dass der Wert aufgrund der statinären Berechnung einem mittleren Druck entspricht. In der Realität liegen jedch turbulente Schwankungen vr, s dass bei schwacher Kavitatin das statinär ermittelte Druckminimum pmin,m zwar größer ist als der Dampfdruck (smit würde keine Kavitatin vrliegen), jedch instatinär das Druckminimum aufgrund der Druckschwankungen den Dampfdruck unterschreitet und Dampfblasen entstehen (Bild 6). Diese Mit Hilfe der Strömungssimulatin ist eine bedingte Ermittlung des Kavitatinsbeginns möglich. Als Kavitatin wird der Vrgang bezeichnet, bei dem der Ventildruck im Bereich des engsten Querschnittes den Dampfdruck erreicht und smit erste kleine Dampfbläschen entstehen. Diese werden vn der Strömung in Gebiete höheren Druckes mitgerissen, in denen sie dann impldieren. Aus numerischer Sicht stellt sich dieser Vrgang ein, wenn der statische Druck im Ventilinneren den Dampfdruck unterschreitet. Bild 5: Kavitatinsbestimmung anhand der Druckverteilung im Bereich Kegel - Sitz Fig. 5: Determinatin f cavitatin n the basis f pressure distributin at and a ru nd the cne seat Industde,matu,en. He. 2/2009. Mai 1 151

5 ----'L-,A, Pmin(t) I \ I \ I \ Pmin,m Pv ~gb t ~S'/e Bild 6: Einfluss vn turbulenten Schwankungen auf kavitierende Strömung Fig. 6: The influence f turbulent fluctuatins n cavitating flw Bild 7: Abweichung des CFD-ermittelten XFz Wertes im Vergleich zur Messung Fig.7: Deviatin in the CFD-determined xfz values cmpared vis--vis the measurement , ;------, Ourchgangsventil 0.2 Parablischer Kegel Nennweite: ON Sitzbhrung: 63 mm ~ 0.1 -I------"'< ~--.. r+----; I ~ ~ I - {f 0 -I----+~--~---~ >< - -I ~ I---~~-~ !---~-I u. (.) {j!," -0.1 >< ~ ~.-~.- -..! Ohne Mehrphasenmdell / Ohne Turbulenzkrrektur Ohne Mehrphasenmdell / Mit Turbulenzkrrektur Mit Mehrphasenmdell Tleranzband: +/ , ~ XFz,Messung [-] J Druckschwankungen können mithilfe Gleichung (1) ermittelt werden, indem der Einfluss der turbulenten kinetischen Energie Ekin,turb berücksichtigt wird. ppin = Ppin,m - 0, 195. p. Ekin,turb (1) Auch bei der Bestimmung des Kavitatinsbeginns ist eine aussagekräftige Strömungssimulatin nur möglich, wenn, ähnlich dem Flussdiagramm A. 1 aus Bild 2, anhand einer ähnlichen Strömungsgemetrie eine Kalibrierung durchgeführt wird. Für die Detektierung der Kavitatin ist dieser Vrgang sgar viel wichtiger, um die ptimalen Einstellparameter hinsichtlich der Netzgenerierung zu ermitteln und smit die Abweichung hinsichtlich der Ermittlung des xfz-wertes möglichst gering zu halten. Ein Unterschied zu dem beschriebenen Verfahren für die Bestimmung des Durchflusskeffizienten besteht jedch darin, dass als Abbruchkriterium nicht die fünfprzentige Abweichung, sndern ein Tleranzband vn XFz ± 0,02 hinsichtlich des Kavitatinsbeginns herangezgen wird. Verschiedene Autren haben mit dieser Vergleichsmethde bereits nachgewiesen, dass der Kavitatinsbeginn mit einer unterschiedlich hhen Abweichung bestimmt werden kann. Die Höhe der Genauigkeit hängt zum einen vn der Kegelgemetrie und dem Niveau des xfz-wertes ab. Zum anderen hat auch das CFD-Werkzeug einen wesentlichen Einfluss auf das Ergebnis. Vraussetzung für eine möglichst genaue Bestimmung des Kavitatinsbeginns ist das Vrliegen eines Mehrphasenmdells, das die Dampfentstehung und die anschließende Blasenimplsin berechnen kann. Mehrphasige Strömungsberechnungen sind meistens jedch nur mit High-end-Prgrammen, die auf CFD Cdes zuzüglich implementierten Kavitatinsmdellen basieren, möglich. Bild 7 zeigt einen Vergleich des Kavitatinsbeginns mit entsprechenden CFD Berechnungen, wbei zusätzlich eine Unterscheidung hinsichtlich der Verwendung eines speziellen Mehrphasenmdells swie des Einflusses der turbulenten Schwankung berücksichtigt wrden ist. Die entsprechenden Berechnungsergebnisse, die auf dem Mehrphasenmdeil basieren, sind einem Frschungsprjekt der SAMSON AG an der Tech ~ m 65 ~ i 60...I Medium: Wasser I kv= cnst. I P1 = cnst. I Pv = cnst. Bild 8: Einfluss des Kavitatinsbeginns auf die Schallentwicklung Fig. 8: The influence f start f cavitatin n nise generatin nischen Universität Darmstadt entnmmen. Der Vergleich zeigt, dass bei Nichtberücksichtigung spezieller Kavitatinsmdelle eine qualitativ aussagekräftige Bestimmung des Kavitatinsbeginns nur bedingt möglich ist (Abweichungen liegen bei XFz,CFD-XFz,Messung = 0,1-0,2). Durch die turbulenzbedingte Krrektur kann hingegen die Abweichung auf Werte bis zu XFz ± 0,1 reduziert werden. Aber auch wenn mit dem Einsatz spezieller Mdelle akzeptable xfz-werte mit einem Tleranzband bis zu XFz ± 0,05 (bzw. XFz ± 0,1) erreicht werden, reicht diese Abweichung nur, um, ähnlich der Abschätzungsgleichung für xfz-werte aus der EN , eine ansatzweise Infrmatin über den Kavitatinsbeginn zu erhalten. Numerisch ermittelte xfz-wer ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0, ndUSlriearmaturen. He" 2/2009. Mai

6 '-- te können derzeit hingegen nicht für eine qualitativ, zuverlässige Schallberechnung verwendet werden. Bild 8 zeigt, dass bereits eine Verschiebung des Kavitatinsbeginns um 0,05 zu einer Abweichung des Schalldruckpegels um mehr als 15 db (bei XFz ± 0,1 liegt sgar eine Schallabweichung vn mehr als 20 db vr) führt. Nur in einem Bereich vn XFz ± 0,02 lässt sich die Abweichung des Schall pegels in einem tlerierbaren Bereich vn ± 5 db begrenzen. Trtz vrliegender Abweichung hinsichtlich der CFD-basierten xfz-werte wird deren Abhängigkeit vn der Ventilsteilung richtig wiedergegeben. Smit können die ermittelten Werte für eine Optimierung der Strömungsgemetrie verwendet werden. Bestimmung kritischer Kavitatinsznen Eine weitere Infrmatin, die aus dem Verfahren zur Bestimmung des Kavitatinsbeginns entnmmen werden kann, ist die Lkalisierung kritischer Kavitatinsznen. Anstatt allerdings nur das numerisch ermittelte Druckminimum mit dem Dampfdruck miteinander zu vergleichen, muss hierfür eine grafische Auswertung hinsichtlich der Druckverteilung erflgen. In den Bildern 5 und 9 ist beispielsweise der kavitatinsfreie Bereich (Ventildruck ist größer als der L" Pressure {Pa] Durchgangsventil, parablischer Kegel Nennweite: ON 80 Sitzbhrung: 63 mm HubsteIlung: 30 mm Vrdruck: P1 =10 bar(a) Dampfdruck: Pv = 0,02 bar(a) Differenzdruckverhältnis: x F = 0,67 Kavitatinsbeginn: x Fz =0,3 le ~ PressureIPa].J Pressure [Pa] Vectr Plt: Velcity [mls] Parabalkegel V-Part-Kegel Bild 10: Vermeidung vn Kavitatinsersin durch ptimierte Kegelausführung Fig. 10: Avidance f cavitatin-induced ersin via ptimized cne design Bild 9: Vergleich zwischen tatsächlicher Kavitatinsersin und den entsprechenden numerischen Berechnungen Fig. 9: Cmprative assessment f adual cavitatin-induced ersin and the crrespnding numerical calculatins Dampfdruck) rt dargestellt. Smit stellt Die Blasenimplsin findet letztlich in der andersfarbige Bereich das Druckminimum den Znen statt, in denen der Ventilstehen. dar, in dem Dampfbläschen entdruck den Dampfdruck wieder über Durch das Ausmaß der minimalen schreitet (rte Fläche). Smit ist die Druckzne lässt sich in etwa die Bla mögliche Oberflächenersin an der senknzentratin abschätzen. Eine Stelle zwischen der minimalen Druckzne eindeutige Aussage diesbezüglich ist und dem kavitatinsfreien Bereich hingegen nur mittels der grafischen Darstellung (Übergang zwischen der blauen und des Dampfgehalts möglich der rten Fläche) am stärksten. In der (was derzeit nur mit wenigen Prgrammen möglich ist, Bild 9). Hierzu ist jedch eine instatinäre Berechnung mit grafischen Darstellung des Dampfgehaltes entspricht dies aufgrund des Zusammenfallens der Kavitatinswlken dem einem Mehrphasenmdell ntwendig. Ende des Dampfgebietes (Übergang in Bild 9 zeigt ebenfalls die Verteilung des den blauen Bereich). Dieser Vrgang Dampfgehaltes im Bereich der Drsselsteile. kann anhand der Darstellungen in Bild Hierbei stellt der blaue Bereich 9 bestätigt werden. Diese zeigt zum ei den flüssigen Anteil des Mediums dar, während die andersfarbige Fläche je nen die mittels ptischem Auswerteverfahren ermittelte Kavitatinsersin bei nach Farbabstufung die Bläschenknzentratin einem Parablkegel. Hierbei stellen die wiedergibt. dunklen Bereiche kavitatinsbedingte Schädigungsznen höchster Intensität dar. Ein Vergleich mit den entsprechenden numerischen Berechnungen zeigt, ~.."...1 dass die intensivste Oberflächenersin im Übergangsbereich zur kavitatinsfreien Zne vrliegt. Zusätzlich zu dieser Betrachtung sllte jedch auch der Strömungsverlauf aus der engsten Drsselstelle und smit entlang der minimalen Druckzne herangezgen werden. Damit ist indirekt eine Beurteilung über die Intensität der.1 Blasenimplsin, das heißt über die Höhe der Implsinsleistung der Weilen, die den Kegel letztlich erreicht, möglich. Bild 10 zeigt anhand vn zwei Kegeltypen den Strömungsverlauf mit der entsprechenden Druckverteilung. Beim Parablkegel ist zu erkennen, dass nach dem Druckminimum die Kavitatinswlke entlang des Kegels strömt, während beim V-Prt-Kegel die Kavitatinsblasen vm Kegel wegströ- Industriearmaluren. Heft 2/2009. Mai 1 153

7 1!m!DmL La MaCh NlJmber[I Bild 11: Kritische Geschwindigkeitsverteilung bei kmpressiblen Medien Fig. 11: Critical velcity distributin with cmpressible fluids men. Smit ist der Anteil der Implsinsleistung, der am Kegel vrliegt, beim V-Prt-Kegel geringer als beim ParabIkegel und die Gefahr der Oberflächenersin wird deutlich reduziert. Snstige Anwendungsmöglichkeiten Neben den beschriebenen Untersuchungsmöglichkeiten hinsichtlich des Durchflusskeffizienten swie der Kavitatin gibt es auch nch weiteres Anwendungsptential für CFD-basierte Untersuchungen, die im Flgenden nur angedeutet werden. Beispielsweise kann bei kmpressiblen Medien das Auftreten vn Verdichtungsstößen untersucht werden. Dies kann zum einen bei Stellventilen mit einer anschließenden Rhrerweiterung vn Interesse sein. Mittels der numerischen Berechnung kann grafisch dargestellt werden, dass bei Stellventilen mit Austrittsgeschwindigkeiten, die nahe der Schallgeschwindigkeit liegen, die Mediumsgeschwindigkeiten in der größeren Rhrleitung zwar mderat sind, jedch in der Erweiterung nch eine Geschwindigkeitszunahme stattfindet (Bild 11). Dies führt letztlich zu Verdichtungsstößen innerhalb der Erweiterung, die rückwirkend einen negativen Einfluss auf das Ventil haben. Dieser kritische Zustand kann auftreten, wenn am Ventilaustritt die Geschwindigkeit vn 0,3 Mach überschritten wird. Ein weiteres Anwendungsgebiet stellt die Betrachtung des Temperaturverlaufs innerhalb der verschiedenen Ventilbauteile dar. Insbesndere bei grenzwertigen Temperaturanwendungen kann Medium: Luft P1 =10 bar(a) P2 = 1 bar(a) durch knstruktive Maßnahmen die Temperaturverteilung günstig beeinflusst werden, s dass Kmpnenten, die keinen direkten Kntakt zum strömenden Medium haben, hinsichtlich ihrer Werkstffeigenschaften geschützt werden. Neben der Möglichkeit die Strömungskraft auf das entsprechende Drsselelement näher zu betrachten, gibt es auch nch weitere Prblemstellungen, bei denen die Strömungssimulatin ein wertvlles Hilfswerkzeug ist. Zusammenfassung Dieser Beitrag hat gezeigt, dass hinsichtlich der Industriearmaturen die numerische Berechnung ein hilfreiches Entwicklungswerkzeug für verschiedene Aufgabensteilungen darstellt. Vraussetzung für eine zuverlässige Anwendung vn CFD-Prgrammen ist die vrherige Durchführung vn Kalibrierungsberechnungen anhand vn gemetrisch ähnlichen Mdellen. Dies hat zur Flge, dass ptimale CFD-Ergebnisse nur dann zu realisieren sind, wenn Hersteller auch entsprechende Prüfstände für die Basiskalibrierung der CFD-Mdelle zur Verfügung haben. Insbesndere bei der Ermittlung des Durchflusskeffizienten k v stellt die numerische Berechnung mit mderaten Abweichungen vn ± 5 %eine gute Alternative zur realen Messung dar. Das vrgestellte Berechnungsverfahren gemäß Bild 2 ist allerdings nch nicht Bestandteil der entsprechenden Nrm zur Bestimmung des Durchflusskeffizienten. Mit dem Verfahren ist jedch die Möglichkeit gegeben, zum einen in der Entwicklungsphase eines Stellventils den Durchflusskeffizienten zu ptimieren. Zum anderen können auch Strömungssimulatinen an Armaturen durchgeführt werden, für die keine Prüfvrrichtungen vrliegen. Dies bedeutet, dass sehr hhe kv-werte der Ventile mit nicht gängigen Nenndruckstufen bzw. Anschlussfrmen numerisch berechnet werden können. Literatur [1] Stffel, B., Beinert, C., Tembrink, H.: Strömungssimulatin als Entwicklungswerkzeug für Industriearmaturen. Industriearmaturen, Vulkan Verlag, Essen, Heft 1, 2007, S [2] Abschlussbericht Untersuchungen zur Eignung vn CFD als Entwicklungswerkzeug für Industriearmaturen. AiF-Vrhaben: 12611,2006 [3] Kiesbauer, J, Vnucec, D., Rth, M., Stffel, B.: Vrhersage der Kavitatinsaggressivität im Hinblick auf Buteilschädigung bei Stellventilen. atp - Autmatisierungstechnische Praxis 47 (2005), Heft 12, S [4] Glenn, A. H., Decker, G.: Using Cmputatinal Fluid Dynamics t predict the nset f cavitatin (XFz), Valve Wrld Cnference 2008, Mstricht [5] EN : Stellventile für die Przessregelung: Durchflusskapazität: Prüfverfahren Beuth Verlag GmbH, Berlin, Dezember 1998 [6] EN : Stellventile für die Przessregelung: Geräuschbetrachtungen. Labratriumsmessungen vn Geräuschen bei flüssigkeitsdurchströmten Stellventilen, Beuth Verlag GmbH, Berlin, Februar 1994 [7] EN : Stellventile für die Przessregelung: Geräuschbetrachtungen. Vrausberechnung der Geräuschemissin für flüssigkeitsdurchströmte Stellventile, Beuth Verlag GmbH, Berlin, Juli 2006 ACHEMA 2009: Hlle 10,2, Stand F15-18 Dr. Jörg Kiesbauer Mitglied des Vrstands SAMSON AG, Frankfurt am Main, Tel.: samsn-ag.cm Dmagi Vnucec Leiter der Abteilung 11 Entwicklungsprüfstand 1I SAMSON AG, Frankfurt am Main Tel.: ndu'lriearmturen. He" 2/2009 M;

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