Numerische Strömungsmechanik an Ventilatoren und Anlagen
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Innovationen von Venti Oelde Numerische Strömungsmechanik an Ventilatoren und Anlagen

Numerische Strömungsmechanik an Ventilatoren und Anlagen Ventilatorenoptimierung mittels CFD-Simulationen Im Strömungsmaschinenbau hat sich CFD innerhalb weniger Jahre zu einem unverzichtbaren Bestandteil bei der Optimierung und Neukonstruktion von Strömungsmaschinen sowie der Behebung von strömungsmechanischen Problemen am Einsatzort entwickelt. Der vorliegende Bericht zeigt sowohl die Grundlagen als auch praktische Beispiele der Strömungssimulation in Verbindung mit Prozessventilatoren auf. 1 Einleitung Die numerische Strömungsmechanik (engl. CFD für Computational Fluid Dynamics) wird...

lung einer Strömungsgröße Φ erfolgt somit an diskreten Rechenpunkten. Auf diese Weise wird die kontinuierliche Verteilung von Φ durch die Φ-Werte an diskreten Stellen dargestellt. Somit wird für jeden, einem einzelnen Kontrollvolumen (Zelle) zugeordneten Rechenpunkt eine algebraische Gleichung (Differenzengleichung) zur Bestimmung der Strömungsgrößen erzeugt. Die Differenzengleichungen an allen Rechenpunkten bilden zusammen ein System von gekoppelten, algebraischen Gleichungen. Dieses Gleichungssystem muss mit einem numerischen Algorithmus gelöst werden. Zur Lösung von algebraischen...

Bild 1 Parametrisiertes Layout mit Änderung Um eine CFD-Simulation durchführen zu können, sind mehrere Arbeitsschritte in der nachfolgend wiedergegebenen Reihenfolge notwendig, wobei Geometriedaten sowie Randbedingungen als bekannt vorauszusetzen sind: Zu Beginn wird mit Hilfe einer 3D-fähigen CAD-Software ein dreidimensionales Modell der Geometrie erstellt. Dabei ist darauf zu achten, dass bei Strömungssimulationen die durchströmten Bereiche und nicht wie sonst üblich die Struktur als 3D-Geometrie vorliegen müssen. Es wird zunehmend dazu übergegangen, die 3D-Modelle vollständig...

laminare Grenzschicht turbulente Strömung w Bild 3 Unstrukturiertes Rechengitter Bild 4 Blockstrukturiertes Hexaedergitter Im Anschluss an die Konstruktion der notwendigen 3D-Modelle ist ein dreidimensionales Rechengitter zu erstellen, aus dessen Elementen die Kontrollvolumina gebildet werden, an welchen, wie eingangs erwähnt, die partiellen Differentialgleichungen ansetzen, um diese in Matrizenform (entsprechend der Anzahl der Elemente) iterativ zu lösen. In Abhängigkeit von der dabei verwendeten Software hat der Anwender grundsätzlich die Möglichkeit, ein einfach zu generierendes...

c) Simulieren Nachdem das 3D-Modell und im Anschluss daran das Rechengitter erzeugt worden sind, kommt die Simulationssoftware (ANSYS CFX) zum Einsatz. ANSYS CFX besteht aus drei Modulen: ANSYS CFX-Pre (Bild 7) für die Definition der Randbedingungen der Simulation, dem ANSYS CFX Solver Manager (Bild 8), welcher die partiellen Differentialgleichungen iterativ löst bis ein vorgegebenes Konvergenzkriterium erreicht ist, sowie ANSYS CFX Post (Bild 9) für die visuelle und numerische Auswertung der Simulationsergebnisse. Bild 7 ANSYS CFX-Pre Bild 8 ANSYS CFX Solver Bild 9 ANSYS CFX Post

4 Anwendungen 4.1 Optimierung Anströmung Kamin Bild 10 markierten, Teilstück nur etwa 2 - 3 m/s auftreten. Bei etwa vergleichbaren Querschnitten ist der Strömungsimpuls (Massenstrom x Geschwindigkeit) des von links kommenden Strömungsanteils erheblich größer als der des von unten in den Sammelkanal einmündenden Strömungsanteils. Wie in Bild 11 gut zu erkennen ist, wird damit der Luftstrom, welcher von unten links in den Sammelkanal einströmt, stark eingeschnürt. Dadurch ergeben sich in diesem Zulaufkanal Druckschwankungen von über 250 Pa (Bild 12), die den Ventilator soweit eindrosseln,...

ausgehend von der unveränderten Kanalgeometrie (Bild 13), zwei Leitbleche eingebracht (Bild 14), welche die Strömung aus den unteren beiden Zuläufen so beschleunigen, dass die Geschwindigkeiten aller drei Gasströme am Punkt, wo diese zusammentreffen, identisch sind. Durch diese Maßnahme konnte die Geschwindigkeitsverteilung (Bild 15) im Gegensatz zum Ausgangszustand (Bild 11) soweit verbessert werden, dass die Gasströme mit gleichen Geschwindigkeiten aufeinander treffen und sich somit nicht mehr negativ beeinflussen. Bild 14 Kanal mit Leitblechen Auch die Druckschwankungen, die an den in...

4.2 Optimierung Saugzugventilator Neben der Optimierung des Ventilators ist auch die Zuund Abströmsituation von signifikanter Bedeutung für einen störungsfreien Betrieb des Ventilators mit dem maximal möglichen Wirkungsgrad. Ist beispielsweise die Zuströmung aufgrund von ungünstig ausgeführten Umlenkungen oder Querschnittsänderungen ablöse- oder drallbehaftet, so führt dies zwangsweise zu einer Beeinträchtigung des Betriebsverhaltens des Ventilators. Besonders bemerkbar machen sich Störungen im Zu- und Abströmbereich bei Ventilatoren mit besonders hohen Wirkungsgraden > 80 %, da diese, um...

Druckverlust Austritt 1 = 261.365 [Pa] Druckverlust Austritt 2 = 431.966 [Pa] Bei der Geometrieoptimierung wurden die in Bild 20 hervorgehobenen kritischen Stellen entschärft und so geformt, dass sich stetige Querschnittsübergänge ergeben. Durch diese Maßnahmen konnte der Druckverlust am vorderen Ventilatorzulauf um den Faktor 4 von 261 Pa auf 66 Pa reduziert werden (Bild 22), während am hinteren Eintritt der Druckverlust wegen des ungünstig geformten waagerechten Kanalendes (Bild 20, weißer Kreis) sogar um beinahe den Faktor 6 reduziert Bild 21 Ursprungsdesign starker Drall 70 m/s bei der...

Druckverlust Austritt 1 = 261.365 [Pa] Druckverlust Austritt 2 = 431.966 [Pa] Bild 24 Ausgangsdesign Stromlinien Druckverlust Austritt 1 = 65.8793 [Pa] Druckverlust Austritt 2 = 76.8992 [Pa] Bild 25 Optimiertes Design Stromlinien