DHCAE Tools GmbH. Einsatz von Strömungssimulationen in der Pumpen- und Ventilentwicklung. Dr. Ulrich Heck

Transkript

1 DHCAE Tools GmbH Einsatz von Strömungssimulationen in der Pumpen- und Ventilentwicklung Dr. Ulrich Heck

2 Vorstellung DHCAE Tools GmbH Verfahrenseinordnung und Vorgehensweise Vergleich kommerzielle CFD-Open-Source Simulationsumgebung Beispiele aus der Pumpen- und Ventilanwendung Fazit

3 Arbeitsgebiete DHCAE Tools GmbH Simulations-Lösungen basierend auf Open-Source-Löser Technologie Engineering: CFD/FEA- Dienstleistung mit OpenFOAM/ CalculiX Software Standard/ kundenangepasst: GUIs (CastNet), Erweiterungen Support Training: OpenFOAM/ Erweiterungen This offering is not approved or endorsed by ESI Group, the producer of the OpenFOAM software and owner of the OPENFOAM and OpenCFD trade marks.

4 CFD: Computational Fluid Dynamics CFD-Simulation: Rechnergestützte Abbildung vor dem Prototypenbau Lösung von Erhaltungsgleichungen (Masse, Impuls, Energie) in finiten Volumen Geometrie Erstellung Mesh / Case setup Gängige CAD Programme Vernetzung / Randbedingungen: CFD besondere Anforderungen wandnaher Bereich Gitterqualität Solving: Lokal: PC/Workstation/Cluster Extern: Cloud Post-Processing: Visualisierung Extraktion der relevanten Ergebnisse

5 CFD mit OpenFOAM CFD: OpenFOAM Toolbox Imperial College OpenCFD (ESI Group) Funktionalität: High-End CFD Spektrum kompressible/inkompressible Systeme mit/ohne Wärmetransport inkl. CHT Mehrphasen (VOF, Euler-Lagrange, Euler-Euler) Bewegte Geometrie Einsatz: Automobilindustrie und -Zulieferer (VW, Audi, ) Chemische Industrie (BASF, Evonik, )

6 Kommerzielle CFD-Systeme vs. OpenFOAM Verfügbarkeit Konzept Bevorzugte Arbeitsweise Kommerzielle CFD Lizenzpflichtig Funktionen in einem ausführbarem Programm Anpassungsfähig über definierte Schnittstellen GUI OpenFOAM Frei verfügbar unter der GNU-Public-License Angelegt als Toolbox Text-Files Mit Zusatztools (GUIs): Komfortable Arbeitsweise wie mit kommerzieller CFD

7 Simulationsumgebung-Cloud Kommerzielle CFD Systeme: Windows-Linux-Cluster: Vorteil: Sehr komfortable GUI-Bedienung Nachteil: Kosten pro CPU-Core Open-Source Systeme wie OpenFOAM: Original: Linux Portierungen: Windows/Mac Vorteil: Flexibler Einsatz von Rechenressourcen (PC Workstation Cluster Cloud ) ohne Kosten Sehr gute Parallelisierung, Automatisierung Nachteil: Weniger komfortabel oder Zusatztools verwenden Cloudlösungen: Ideal für Open-Source Löser: Kein Lizenzmanagement Cloud: Cluster: Virtuelle Maschinen Amazon AWS, Microsoft, Google, Installation auf Rechenzentrum - HLRS-Stuttgart

8 Beispiele zur Anwendung Einfache CFD-Probleme: Stationäre CFD Bestimmung von Druckverlusten in Ventilen Bestimmung von Kennlinien von Pumpen und Ventilatoren Lösung von anspruchsvollen CFD-Aufgaben mit Open-Source Lösern: Bewegliche Geometriebereiche Adaptive Gitter zur Abbildung von Gradienten in der Strömung Mehrphasenanwendungen mit Open-Source Lösern Nicht nur Strömung sondern auch Struktur: FSI Stationäre FSI vs. Transiente Interaktion

9 Stationäre Modellierung für Rotationsmaschinen Aufgabe: Gebläseinteraktion Modellierung über einen Frozen-Rotor Ansatz Sehr gut geeignet auch für Pumpen/Ventilatorkennlinien Gerechnet mit OpenFOAM

10 Bewegliche oder adaptive Gitter Rotierende Topologie Transiente Simulation Pumpen: Rotorauslegung, Einlauf Ventile: Rotierende Scheiben Gleitende oder rotierende Geometrie mit Überströmbereichen Transiente Simulation Ventile: Schaltende Ventile Adaptive Gitter um Strömungsgradienten aufzulösen Stationäre Simulation Ventile: Kompressible Strömungen mit überkritischem Druckverhältnis

11 Ventil Aufgabe:Ventilanwendung Gleitendes Gitter Gerechnet mit OpenFOAM

12 Ventilanwendung Aufgabe: Gleitendes Gitter mit partieller Überschneidung Gerechnet mit OpenFOAM

13 Gleitende Gitter mit freien Oberflächen Aufgabe: Gleitendes Gitter mit freien Oberflächen Gerechnet mit OpenFOAM

14 Ventilüberströmung Aufgabe: Transsonisches Überströmen bei 10 bar Druckverhältnis Adaptive Gitter Gerechnet mit OpenFOAM

15 Fluid-Struktur Interaktion Übertragung der Kräfte und Berechnung der Spannungen Statische Interaktion zwischen der Strömung und der Struktur (z.b. sich anlegende Membrane in einem Ventil) Stark zunehmende Komplexität Transiente dynamische Interaktion zwischen der Strömung und Struktur (z.b. Membranpumpe)

16 Fluid-Struktur-Interaktion Aufgabe: Rotorbelastung im Gebläse Stationärer Ansatz mit MRF Übertragung der Kräfte auf Rotor Kraftüberlagerung Gerechnet mit OpenFOAM/CalculiX

17 Statische Interaktion Strömung - Struktur Aufgabe: Ventil mit verformbarer Membrane Stationäre Fluid-Struktur-Kopplung Gerechnet mit OpenFOAM/CalculiX

18 Transiente dynamische Interaktion Aufgabe: Membranpumpe Inkompressibles Fluid/ weiche Struktur Hyperelastisches Material Hochdynamisch f~ hz Wandkontakt Fehler: Druck/Fluss ~ 10 % Gerechnet mit ADINA (Speziallösung FSI)

19 Transiente dynamische Interaktion Aufgabe: Membranpumpe Erweiterung zur Analyse des Mediums: Schädigungsmodell für Membranpumpe Eigenentwicklung DHCAE Tools

20 Funktionsmatrix: Verfügbarkeit-Komplexität CFD-Funktion (In)kompressibel Strömungen Beispiel: Pumpen/Ventile Ventile: Druckverlustberechnung Open-Source Komplexität Stationäre Ansätze rotierende Systeme Pumpen: Kennlinienermittlung Gleitende Gitter (Instationär) Pumpen: Rotorauslegung, Einlauf Ventile: Rotierende Scheiben Gleitende Gitter überlappend Ventile: Schaltende Ventile Mehrphasen Strömungen Ventile/Pumpen: Kavitation, Freie Oberflächen FSI - statisch Ventile: Elastische Membranen Pumpen: Statische Belastungen () FSI - dynamisch Pumpen: Membranpumpen

21 CFD im Bereich Pumpen/Ventile Sehr gute Lösungsmöglichkeiten und Berechnungsverfahren für CFD- Aufgaben auf Basis von Open-Source Lösern: Stationäre Berechnungen (Druckverluste oder Pumpenkennlinien) Bewegte Gitter für Rotation und Ventilanwendungen In Kombination mit Zusatztools: Wechselwirkungen mit Festkörpern Vorteile von Open-Source Lösern: Kostenaspekt bei anspruchsvollen CFD Aufgaben Zuverlässigkeit und hohe Reputation Anpassungsfähigkeit und Transparenz DHCAE-Tools unterstützt beim kosteneffizienten Einsatz von CFD Komplexität und Machbarkeit Inhouse vs. Dienstleistung Tool und Methodenauswahl Benchmark - Training - Support