Möglichkeiten und Grenzen der numerischen Simulation im hydraulischen Strömungsmaschinenbau

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1 Möglichkeiten und Grenzen der numerischen Simulation im hydraulischen Strömungsmaschinenbau R. Schilling und Mitarbeiter Kolloquium Fluidsystemtechnik TU Darmstadt 08. November 2007

2 Inhalt 1. Einleitung 2. Aufgaben der numerischen Simulation im hydraulischen Strömungsmaschinenbau 3. Entwicklung der Simulationsverfahren 4.1 Strömungsphänomene 4.2 Neue Erkenntnisse 4.3 Betriebsverhalten hydraulischer Strömungsmaschinen 5. Zusammenfassung 6. Ausblick

3 1. Einleitung Die Entwicklung der Numerischen Simulation im hydraulischen Strömungsmaschinenbau hat ihren Ursprung an der TH Karlsruhe, 1972 Initiator: Priv. Doz. Dr.-Ing. habil. Bernd Stoffel Inst. f. Strömungslehre & Strömungsmaschinen 35-jährige Geschichte Gleicher Ausgangspunkt verschiedene Wege gleiche Ziele Schaffung von anwendungssicheren und anhand von präzisen Messungen kalibrierten Simulationsverfahren für - wissenschaftliche Forschungen - Einsatz in der Industrie

4 1. Einleitung Numerischen Simulationen ersetzen physikalische Experimente in zunehmendem Maße Möglichkeiten der numerischen Simulation Klärung von Phänomenen Gewinnung neuer Erkenntnisse Vorhersage des Betriebsverhaltens 1) Kennlinien 2) Belastungsspektren 3) Lebensdauer Grenzen der numerischen Simulation

5 2. Aufgaben der numerischen Simulation 2.1 Allgemeine Aufgabe Beschreibung aller Phänomene in hydraulischen Strömungsmaschinen Vorhersage Performances - Hydrodynamik Strukturbelastung - Strukturdynamik Schallentstehung und ausbreitung Akustik 2.2 Spezielle vom VDMA initiierte Aufgabenstellung Entwicklung eines Numerischen Prüfstandes Kalibrierte Simulationsverfahren Effiziente Kooperation -TU Darmstadt TU München -TU Hamburg/ Harburg TU München

6 2. Aufgaben der numerischen Simulation 2.3 Der Numerische Prüfstand CFD Hydro- FSI 0 ( c' ' p'' ρ'' ) CSA Vibro- Akustik Akustik CAA CHA 6 Q c' p' ρ' p t0 p t6

7 3. Entwicklung der Simulationsverfahren Problemorientierte Eigenentwicklung von Entwurfs- und Simulationsverfahren ermöglicht ein effizientes Gesamtsystem 3.1 Strömungssimulation CFD Numerische Lösung der originären NS-Gleichungen (DNS) Voraussetzung: N ~ Re 3 - Heizungsumwälzpumpen: Re Kesselspeisepumpen: Re Wasserturbinen: Re 10 8 Fazit: DNS ist bis auf weiteres nicht anwendbar zur Lösung technisch relevanter Problemstellungen im hydraulischen Strömungsmaschinenbau

8 FLM 3. Entwicklung der Simulationsverfahren 3.1 Strömungssimulation CFD Modellierungen -LES - URANS Entwicklung und Kalibrierung problemorientierter Modelle zur genauest möglichen Beschreibung der Turbulenz 3.2 Struktursimulation CSA Numerische Lösung einer linearen Gleichung Unproblematisch im Falle kleiner Verschiebungen 3.3 Aero/Hydro-Akustik-CAA/CHA Modellierungen - Lighthill Theorie - Hardin & Pope-Ansatz - Euler Gleichungen Kalibrierung der Akustik-Modellierung

9 4.1 Strömungsphänomene Transitionale Strömung Bypass Transition (ERCOFTAC) Plattenströmung 100 C f a) EXP C f b) EXP AB-MM LCL turbulent FLB-MM CLS 0.6 turbulent V2F-RD laminar 0.2 laminar 0 0 x/l x/l Vergleich verschiedener Turbulenzmodelle anhand der Strömung über eine ebene Platte ohne Druckgradient T3A; a) und b) Widerstandbeiwert C f, c) und d) Formfaktor H 12

10 4.1 Strömungsphänomene Transitionale Strömung Bypass Transition (ERCOFTAC) - Turbinen-Leitradgitter C f EXP V2F-KL-RD 0.8 V2FNL-KL-RD 0.6 LCL-KL 100 C f a) s/s 0 b) s/s Saugseite Druckseite Widerstandsbeiwert C f ; a) Saugseite; b) Druckseite

11 4.1 Strömungsphänomene Abgelöste Strömung im Nachleitrad des Axialventilators 7160 bei Q Opt - Vergleich Simulation mit Messungen der TU Braunschweig

12 4.1 Strömungsphänomene Kavitierende Strömung an einem angestellten Profil - Kalibrierung des Kavitationsmodells mit Messungen der TU Darmstadt Experiment: Sr

13 4.1 Strömungsphänomene Fluid-Struktur-Interaktion (FSI) - Zylinderumströmung in einem elastischen Kanal

14 4.2 Neue Erkenntnisse Active Control in Wasserturbinen durch schwingende Leitschaufeln Radialturbine: w c Tu β u α Abstrahierte Geometrie: Q 0 = Q opt Gitter1 Q + > Q opt Q - < Q opt Gitter2

15 4.2 Neue Erkenntnisse Active Control DES Ergebnisse

16 FLM 4.2 Neue Erkenntnisse Reduzierung der Totaldruckverluste Verschiebung der Eigenfrequenzen Δp t_netto (0-2) 1.E+01 FFT (Vergleich k VL = 0 und k VL = 1.56; Δα = 2.0 ) 1.1 dalpha=1.25 dalpha=2.0 dalpha= E+00 1.E-01 k = 0 k = 1.56; da = 2.0 Δ pt(k) / Δ pt(k=0) dalpha=3.0 dalpha=3.75 F (Fn / (0.5 ρ c 2 A)) 1.E-02 1.E-03 1.E-04 1.E-05 1.E k[-] 1.E-07 1.E k[-]

17 4.3 Betriebsverhalten hydraulischer Strömungsmaschinen Hochbelastete Axialventilatoren Messungen TU Braunschweig axial fan stage 7165 design point (ϕ A= 0.35, Ψ A = 0.45) axial fan stage 7161 design point (ϕ A= 0.60, Ψ A = 0.70) Ψ t,th Ψ η i [ - ] 0.6 Ψ t,th Ψ η i [ - ] lines: symbols: Ψ Ψ t,th η i calculation measurements, TU Braunschweig static head theoretical total head efficiency ϕ [ - ] 0.2 lines: symbols: Ψ Ψ t,th η i calculation measurements, TU Braunschweig static head theoretical total head efficiency ϕ [ - ]

18 4. Ergebnisse numerischer Simulation 4.3 Betriebsverhalten hydraulischer Strömungsmaschinen Kennlinie einer radialen Kreiselpumpe RP19 Messungen TU Darmstadt Förderhöhe über Rotorstellung bei Q = 2,5 m³/h und n = /min Förderhöhe über Volumenstrom 3,6 6 H Messung Wilo 3,4 5 4 H Messung FST H Rechnung FLM Förderhöhe [m] 3,2 3,0 Frozen Rotor MINMOD 1,0 Frozen Rotor MINMOD 0,5 Frozen Rotor UDS Mittel MINMOD 1,0 Mittel MINMOD 0,5 Mittel UDS H [m] , rel. Rotorstellung [ ] Q [m³/h]

19 4.3 Betriebsverhalten hydraulischer Strömungsmaschinen Kavitation in einer radialen Kreiselpumpe RP19 Messungen TU Darmstadt Förderhöhenabfall bei unterschiedlichen Volumenströmen NPSH3% über dem Volumenstrom 3,7 3,5 3,2 Q/Q0 0,6 Q/Q0 0,8 Q/Q0 1,0 Q/Q0 1,2 3,3 3,1 2,9 Messung FST Simulation FLM H [m] 2,7 2,2 NPSH3% [m] 2,7 2,5 2,3 2,1 1,7 1,9 1,7 1, NPSH [m] 1,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 Q/Q 0 [-]

20 4.3 Betriebsverhalten hydraulischer Strömungsmaschinen Kavitation in einer radialen Kreiselpumpe RP26 Messungen TU Darmstadt Wasser: Glycol: NPSH3%-Werte RP26 bei n = /min NPSH3% [m] Messung Wasser Messung Glycol CFD Glycol Q [m³/h]

21 4.3 Betriebsverhalten hydraulischer Strömungsmaschinen Schallentstehung und ausbreitung in einer radialen Kreiselpumpe RP19 - Schallleistungsspektrum nach Lighthill in Teillast Messungen WILO Q=1,0 m³/h 80 [db] (a) (c) (b) Abb. 37: Flüssigkeitsschall-Leistung für Teillast (a) (c) Rechnung mit Dipolen im erweiterten Bereich f [Hz] Messung, (b) Rechnung mit Dipolen im Spornbereich;

22 4.3 Betriebsverhalten hydraulischer Strömungsmaschinen Schallentstehung und ausbreitung in einer radialen Kreiselpumpe RP19 - Schallleistungsspektrum nach Lighthill im Optimalpunkt Messungen WILO Q=2,5 m³/h 80 [db] (a) (b) (c) f [Hz] Abb. 37: Flüssigkeitsschall-Leistung für Optimallast (a) Messung, (b) Rechnung mit Dipolen im Spornbereich; (c) Rechnung mit Dipolen im erweiterten Bereich

23 5. Zusammenfassung DNS ist bis auf weiteres zur Lösung technisch relevanter Problemstellungen, Re>10 5, nicht anwendbar LES ist voraussichtlich in 5-10 Jahren industriell einsetzbar URANS ist z. Zt. das Werkzeug in CFD, erfordert jedoch problemorientierte Modellierung der Turbulenz FSI lässt sich realisieren, Genauigkeit ist jedoch durch CFD bestimmt CAA/CHA ist in der Entwicklung

24 6. Ausblick Fachlicher Ausblick CFD- CSA- CHA- Koppelung ist die numerische Zukunft im hydraulischen Strömungsmaschinenbau Die Numerik wird bis auf weiteres auf gut durchdachte und hochpräzise Kalibrierungsversuche nicht verzichten können Persönlicher Ausblick

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