Optimierung von Strahldüsen durch Simulation
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- Insa Bauer
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1 7. Tagung Industriearbeitskreis Trockeneisstrahlen Optimierung von Strahldüsen durch Simulation Produktionstechnisches Zentrum Berlin 25. November 2005 Michael Kretzschmar
2 Gliederung Seite 2 Computational Fluid Dynamics (CFD) Allgemein Vorgehensweise CFD Grundlagen Anwendungsgebiete Strömungstechnische Untersuchungen CFD beim Trockeneisstrahlen Vereinfachungen, Grenzen, Einstellungen Ergebnisse Zusammenfassung und Ausblick
3 Computational Fluid Dynamics - CFD Seite 3 Kenntnisse über Eigenschaften technischer Systeme Theoretisch, Experimentell, Numerisch Vorteile -Ergebnisse oft schneller vorhanden -Parametervariation -Globale und gleichzeitige Berechnung problemrelevanter Größen Nachteile -Keine Automatische Lösungsfindung -Auswahl der Modellparameter sehr komplex -Gute Kenntnisse über physikalische Zusammenhänge
4 Seite 4 Vorgehensweise Ingenieurproblem? Problemlösung Messdaten Math. Modelle Differentialgleichungen Randbedingungen Gittererzeugung Diskretisierung Algebraische Gleichungssysteme Validierung Algorithmen Rechner Analyse Interpretation Bildinformationen Abgeleitete Größen Visualisierung Auswertung Numerische Lösung
5 Seite 5 CFD - Grundlagen Erhaltungsgleichungen -Impuls -Masse -Energie Zusätzliche Unbekannte -Turbulenz -Kompressibel -Gravitations-, Auftriebskräfte Rechenleistung -Laminar vier Gleichungen -Turbulent mindestens sechs Gleichungen
6 Seite 6 CFD - Grundlagen Diskretisierung -Raum numerisches Gitter -Zeit Ausbreitung der Strömung Turbulente Strömung -Direkte Numerische Simulation -Grobstruktur Simulation (Large-Eddy-Simulation) -Turbulenz Modelle Mehrkomponentenströmungen
7 Anwendungsgebiete der CFD Seite 7 Akustik Turbomaschinen Freie Oberflächen Wärme- und Stofftransport Verbrennung, chemische Reaktionen Freie Konvektion und Schadstoffausbreitung Fluid-Struktur-Wechselwirkungen
8 Strömungstechnische Untersuchung einer Referenzdüse Seite 8 Verifikation der simulierten Strömung Geschwindigkeitsmessung Geschwindigkeitsprofil im Strahlkern Berechnung der Geschwindigkeit Referenzdüse Staurohr Messpunkt
9 CFD beim Trockeneisstrahlen Seite 9 Unter- bis Überschallgeschwindigkeiten Kompressibel Turbulent Innen- und Außenströmung Mehrkomponentenströmung Phasenübergang Sublimation
10 Geometrie- und Gittergenerierung Seite 10 Achsensymmetrisch Randbedingungen Gittergenerierung Druckeinlass Druckauslass Einlass Strahldruck Rotationsachse Einlass Transportdruck
11 Vereinfachungen/Grenzen/Einstellungen Seite 11 Berechnung stationär Berechnungsgebiet zweidimensional, achsensymmetrisch Turbulenzmodell (k,ε)-modelle Kein Sublimationsmodell Strahldruck: 4,6,8,11 bar Transportdruck: 4 bar = konst. Abbruchkriterium Vorgehensweise 1. Luftströmung 2. Partikelbewegung
12 Ergebnisse Seite 12 Geschwindigkeitsverteilung bei einem Strahldruck von 8 bar
13 Ergebnisse Seite 13 Machzahlverteilung am Düseneintritt bei Strahldruck 8 bar
14 Ergebnisse Seite 14 Detailansicht der Geschwindigkeitsverteilung bei einem Strahldruck von 8 bar
15 Ergebnisse Seite 15 Detailansicht der Geschwindigkeitsverteilung bei einem Strahldruck von 4 bar
16 Partikelbewegung Seite 16 Euler-Lagrange-Verfahren Kugelmodelle Phasenübergang nicht berücksichtigt Dichte der Pellets = 1300 kg/m 3 Literatur [Haberland99]: - Massenstrom = 95 kg/h - Strahldruck = 11 bar - Geschwindigkeit = 249 m/s
17 Partikelbewegung Seite 17
18 Zusammenfassung und Ausblick Seite 18 Turbulente Strömung, Mehrphasen- und Mehrstoffströmung, Phasenwechsel Bereitstellung eines Modells zur Strömungssimulation Qualitative Aussagen zur Geometrieoptimierung von Strahldüsen möglich Reduzierung der Anzahl der Düsenprototypen Verbesserung des Modells durch Valdierung mittels Hochgeschwindigkeitskamera ( Bilder pro Sekunde) Erweiterung auf dreidimensionales Simulationsmodell mit Phasenübergängen Entwicklung von Modellen zur Schallreduzierung
19 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Seite 19
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