Kreiselpumpen und Axiallüfter

Kreiselpumpen und Axiallüfter wandeln mechanische Energie eines Motors in die Energie eines sich bewegenden Fluids um. In einer Kreiselpumpe tritt Strömung axial ein, wird durch ein Schaufelrad in eine Drehbewegung versetzt und tritt radial aus, nachdem sie ein Spiralgehäuse passiert hat. Der Zweck der meisten Kreiselpumpen besteht darin, den Druck einer Flüssigkeit zu erhöhen oder sie durch ein oder mehrere Rohre strömen zu lassen.

Bei einem Axiallüfter wird Luft beim Passieren eines drehenden Schaufelrads mit mehreren Schaufeln beschleunigt. Der Zweck der meisten Axiallüfter ist es, die Luftgeschwindigkeit zu erhöhen, häufig zu Ventilationszwecken.

Ziele

Die meisten Pumpen- und Lüfteranwendungen dienen vorrangig zur Bestimmung des Betriebspunktes für eine gegebene Bedingung:

• Bestimmen des Auslass-Durchflusses (bei einem Druckverlust von 0)
• Bestimmen des Durchflusses bei gegebenem Druckverlust
• Bestimmen der Förderhöhe bei gegebenem Durchfluss
• Bestimmen der Förderhöhenkennlinie (Leistungskennlinie)

Ein anderes Ziel ist es, die Quelle von Ineffizienzen innerhalb der Strömung zu ermitteln. Diese können sich durch Rezirkulationszonen saugseitig vor dem Schaufeldurchlauf oder durch ein Jet-Wake-Muster in der Nähe des Schaufelradaustritts ergeben.

Anwendungsbeispiele

• Wasserpumpen
• Kühlgebläse (axiale Strömung)
• Kühlgebläse (radiale Strömung)

Modellierungsstrategie

• Eine fehlerfreie CAD-Geometrie ohne unwesentliche Funktionen ist für die Effizienz von Analysen von grundlegender Bedeutung. Entfernen Sie kleine Kanten und Splitterflächen, insbesondere auf dem Laufrad und Spiralgehäuse. Schließen Sie kleine Lücken um Laufringe und Verpackung.
• Erweitern Sie Ansaugung (Einlass) und Ausstoß (Auslass), sodass sie mindestens 3-4 hydraulische Durchmesser vom Laufrad entfernt sind. Dies ist erforderlich, damit Randbedingungen keinen direkten Einfluss auf die Ergebnisse haben.

• Der rotierende Bereich sollte nur das Laufrad umschließen, jedoch keine statischen Teile berühren. Er sollte in der Mitte zwischen dem Außendurchmesser des Laufrads und dem Pfeilerkopf liegen. Klicken Sie hier, um weitere Richtlinien für rotierende Bereiche zu erhalten...
• Um die lokale Netzverfeinerung um Schaufelvorderkanten und die Spiralzunge eines Pumpengehäuses zu erleichtern, konstruieren Sie sie anhand getrennter Flächen (anstelle großer Flächen, die über den Bereich der Schaufel oder Spirale hinausgehen). Dies vereinfacht die Anwendung der lokalen Netzverfeinerung auf diese kritischen Bereiche erheblich.

• Die typische Konfiguration für Axiallüfter-Modelle besteht aus dem Schaufelrad, umgeben von einem zylindrisch geformten rotierenden Bereich. Am Eintritt und Austritt werden Erweiterungen hinzugefügt, die sich vom rotierenden Bereich aus über drei bis vier hydraulische Durchmesser erstrecken:

Analysekonfiguration

Materialien

• Erstellen Sie ein Material des Typs "Rotierender Bereich", und weisen Sie es dem Volumen zu, welches das Laufrad umgibt. Legen Sie im Materialeditor den Szenariotyp auf Bekannte Drehzahl fest. Geben Sie die Drehzahl unter Verwendung einer Tabelle ein, und erhöhen Sie in 50 Zeitschritten von 0 auf die volle Geschwindigkeit.

• Beispiel:
  • Wenn sich eine 5-Blatt-Turbine mit 3000 U/min dreht, entspricht die Zeitschrittgröße für einen Schaufeldurchgang der Zeit, die für eine Drehung um 72 Grad (360/5 = 72) erforderlich ist.
  • Bei 3000 U/min ergibt sich ein Zeitschritt von 0.004 Sekunden. (D / N x 6 = 72 / (3000)x(6) = 0.004)
  • Die erforderliche Zeit zum Erreichen der vollen Drehzahl über 50 Zeitschritte beträgt 0.2 Sekunden. (50 x 0.004 = 0.2 Sekunden.) Die Werte der Drehzahltabelle sind:

Laufradgeschwindigkeit (U/min)	Zeit (s)
0	0
3000	0.2
3000	100

Randbedingungen

• Geben Sie Druck = 0 für den Ansaugeintritt an.

• Die Randbedingungen für den Austritt sind durch das Ziel der Analyse bestimmt:
  • Um den Austritt-Durchfluss zu bestimmen, geben Sie Druck = 0 für den Austritt an.
  • Um den Durchfluss für eine gegebene Förderhöhe zu bestimmen, geben Sie eine transiente Druckbedingung für den Austritt an. Verwenden Sie eine stückweise lineare Verteilung, um den Druck zwischen 0 und dem Zielwert über 100 Zeitschritte zu variieren.
  • Um die Förderhöhe bei gegebenem Durchfluss zu bestimmen, geben Sie eine transienten Volumenstrom für den Austritt an. Verwenden Sie eine stückweise lineare Verteilung, um den Durchfluss zwischen 0 und dem Zielwert über 100 Zeitschritte zu variieren. Um die Strömungsrichtung aus dem Modell zuzuweisen, geben Sie negative Strömungswerte in der Tabelle an.

Netz

• Unterdrücken Sie Festkörper, wie z. B. Laufräder, Spiralgehäuse und Verschleissringe, außer wenn die Wärmeübertragung relevant ist.
• Definieren Sie die Netzverteilung entweder mit der automatischen oder manuellen Größenbestimmung.
  • Die automatische Größenbestimmung erstellt eine Verteilung auf Grundlage der Krümmung der Geometrie. Sie strebt danach, Netzgradienten für das gesamte Modell zu verschmelzen. Verwenden Sie für den rotierenden Bereich die Einstellung "Gleichförmig verwenden". Hierdurch werden künstliche Gradienten in der Strömung aufgrund von Netzgrößenvariationen vermieden.
  • Alternativ können Sie die Netzgröße auch manuell bestimmen. Die übliche Strategie besteht im Zuweisen von Elementgrößen zu Teilen auf Grundlage von deren Größe und im Verfeinern mithilfe der Größenbestimmung von Flächen und Kanten.
• Die folgenden Aspekte gelten für beide Netzstrategien:
  • Das Netz muss fein genug sein, um eine erfolgreiche Analyse zu ermöglichen. Aufgrund der hohen Strömungsgradienten in einem drehenden Gerät ist es wichtig, dass das Netz fein genug ist, um diese aufzulösen.
  • Verfeinern Sie das Netz lokal auf den Schaufelvorderkanten und Spiralzungen, um sicherzustellen, dass die Krümmung korrekt dargestellt wird. Diese sind typische kritische Bereiche, in denen großer Druck und Strömungsgradienten auftreten.
  • Überprüfen Sie die Netzverteilung auf der Ansaugseite jedes Durchlasses. In diesem Bereich tritt häufig ein negativer Druckgradient auf. Es ist wichtig, dass genügend Netz vorhanden ist, um die Strömungsgradienten entsprechend aufzulösen.
  • Stellen Sie sicher, dass die Elementkantenverhältnisse innerhalb des rotierenden Bereichs unter 100 liegen. Um das Verhältnis zu überprüfen, aktivieren Sie im Dialogfeld "Ergebnisgrößen" die Option "Stream-Funktion" und führen Sie 0 Iterationen aus. Erstellen Sie eine Iso-Fläche, um das Elementkantenverhältnis zu visualisieren.

Überwachungspunkte

Erstellen Sie einen Überwachungspunkt in der Mitte des Auslasses, um Druck und Durchfluss (multipliziert die Geschwindigkeit mit der Fläche des Auslasses) zu überwachen.

Vorgehensweise:

1. Klicken Sie mit der rechten Maustaste außerhalb des Modells, und klicken Sie im Menü auf Überwachungspunkte.
2. Positionieren Sie den Punkt, und klicken Sie auf Hinzufügen.

Wird ausgeführt

Zeitschrittgröße und Anzahl der auszuführenden Zeitschritte

Aufgrund der Steigerung von Drehzahl und Randbedingung ist es wichtig, ausreichend viele Zeitschritte auszuführen, um die Strömung ordnungsgemäß zu starten und danach anhand einer geeigneten Anzahl von Umdrehungen eine voll ausgebildete Strömung zu erzielen. Es empfiehlt sich, die Analyse in drei Phasen auszuführen:

Phase 1: Steigerung der Drehzahl und Randbedingungen.

Phase 2: Ausführung von 20 vollständigen Umdrehungen, um eine voll ausgebildete Strömung anhand eines Zeitschritts, der einem einzelnen Schaufeldurchlaufsintervall entspricht, zu erreichen.

Phase 3: Ausführung von einer Umdrehung anhand eines Zeitschritts, der einem Durchlauf von 3 Grad entspricht. Mit der letzten Umdrehung wird sichergestellt, dass Strömung, Druck und hydraulisches Drehmoment den stationären Zustand erreicht haben.

Es sind ein gewisser Planungsaufwand und einfache Berechnungen erforderlich, um die geeignete Zeitschrittgröße und die Anzahl der für jede Phase auszuführenden Zeitschritte zu ermitteln. An einem Beispiel lässt sich dies einfach verdeutlichen:

Beispiel

Ein Laufrad mit fünf Schaufeln dreht sich mit 3000 U/min. Die Zeitschrittgröße zwischen zwei Schaufeln beträgt 0.004 Sekunden. t = D / N x 6. (D = 360 / Anzahl der Schaufeln; N = U/min), t = 72 / (3000) x (6) = 0.004 s

Phase 1:

• Für die Drehzahl müssen 50 Zeitschritte gesteigert werden. Dies entspricht 0.004 x 50 = 0.2 Sekunden.
• Für die Auslass-Randbedingung sind weitere 50 Schritte erforderlich. Dies entspricht 0.004 x 50 = 0.2 Sekunden.

Insgesamt sind 0.4 Sekunden und 100 Zeitschritte abgelaufen.

Phase 2:

• Bei voller Geschwindigkeit sind für 20 vollständige Umdrehungen weitere 100 Schritte erforderlich. (Bei einem Zeitschritt pro Durchlauf werden 5 Schritte pro Umdrehung benötigt, sodass 100 Schritte für 20 Umdrehungen erforderlich sind.) Dies macht weitere 0.4 Sekunden aus.

Es sind weitere 0.4 Sekunden und 100 zusätzliche Zeitschritte abgelaufen.

Phase 3:

Der Zeitschritt zur Drehung um 3 Grad pro Zeitschritt beträgt 0.000167 Sekunden (t = 3 / N x 6 = 3 / (3000) x ((6) = 0.000167 Sekunden)

• Bei 3 Grad pro Zeitschritt werden 120 Schritte für eine Drehung benötigt.

Für Phase 3 sind weitere 0.02 Sekunden und 120 Schritte abgelaufen.

Zusammenfassung:

	Zeitschrittgröße	Anzahl der Zeitschritte
Phase 1	0.004 s	100
Phase 2	0.004 s	100
Phase 3	0.000167 s	120

Ergebnisextraktion

• Um den Zeitverlauf des hydraulischen Drehmoments anzuzeigen., klicken Sie auf Ergebnisse ( (Registerkarte) > Prüfen(erweiterte Gruppe) > Rotierender Bereich. Diese Daten werden auch in einer externen CSV Datei in dem Ordner, in dem sich das Szenario befindet, gespeichert und können durch Importieren in Excel grafisch dargestellt werden.
• Verfolgen Sie den Lösungsfortschritt unter Verwendung des Überwachungspunkts am Auslass. Dies bietet eine fokussierte Ansicht des Lösungsfortschritts in einem kritischen Bereich.
• So animieren Sie grafische Ergebnisse:
  1. Legen Sie den Zeitschritt auf die Hälfte der Zeitspanne fest, in der eine Schaufel passiert.
  2. Legen Sie das Speicherintervall (im Dialogfeld "Start") auf 1 fest.
  3. Setzen Sie die Analyse fort, und führen Sie genügend Zeitschritte aus, um eine vollständige Umdrehung zu simulieren.

• So berechnen Sie eine Förderhöhenkennlinie:
  1. Konfigurieren Sie einen Betriebspunkt, und führen Sie das Szenario aus.
  2. Klonen Sie das Szenario, und ändern Sie entweder den Austritt-Durchfluss oder den Druckanstieg. Führen Sie das Szenario aus.
  3. Wiederholen Sie Schritt 2 für die übrigen Betriebspunkte.
  4. Erstellen Sie eine Schnittebene am Austritt, und legen Sie sie als Zusammenfassungsebene fest.
  5. Klicken Sie im Entscheidungscenter mit der rechten Maustaste auf den Zweig Zusammenfassungsebene, und klicken Sie auf Kritische Werte aktualisieren.
  6. Vergewissern Sie sich, dass die Registerkarte "Zusammenfassungsebene" in der Ausgabeleiste angezeigt wird. Klicken Sie auf die Schaltfläche "Speichern".
  7. Die Daten werden in einer CSV-Datei gespeichert. Öffnen Sie die Datei in Excel, und plotten Sie "Druck" und "Durchfluss" für alle Szenarios.

Dinge, die Sie vermeiden sollten

• Vermeiden Sie, ein ungeeignetes Netz zu definieren. Rotationsanalysen sind in der Regel empfindlicher auf die Netzverteilung als statische Analysen. Stellen Sie sicher, dass Bereiche mit hohen Abstufungen wie Schaufel-Vorderkanten, die Spiralzunge und die Saugseite des Schaufeldurchlaufs ausreichend vernetzt sind.

• Vermeiden Sie einen ruckartigen Start. Dies passiert, wenn die volle Drehzahl für den Anfang der Analyse angegeben wird. Diese Bedingung ist zu vermeiden, da sie physikalisch unrealistisch ist und zu Trennbereichen in den Schaufeldurchläufen führen kann. Erhöhen Sie stattdessen die Drehzahl des rotierenden Bereichs allmählich mithilfe einer Tabellendefinition gemäß obiger Beschreibung.

• Vermeiden Sie die direkte Anwendung von Druck- oder Durchfluss-Werten ungleich null am Austritt. Erhöhen Sie beim Hochfahren der Drehzahl allmählich die Bedingung für den Austritt. Wenn Sie dies nicht tun, kommt es zu einer Strömungsbewegung in der falschen Richtung durch die Pumpe.