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Ralf Bösche 07.01.2011

CFD-Anwendung am Beispiel eines Turboverdichters

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Gliederung des Vortags

Betriebsdaten des Beispiels und Grundlagen zur Funktionsweise

Beispielhafte Simulation Geometrieerstellung Geometrievernetzung/ Erstellung der Kontrollvolumina Numerische Lösung Auswertung des Ergebnisses

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Betriebsdaten des Beispiels und Grundlagen zur Funktionsweise

Bei diesem Beispiel handelt es sich um einen Turboverdichter der wie folgt aussieht Die Betriebsparameter sind rechts abzulesen

Grundfunktion eines Turboverdichters: Turbine wird durch einen Motor angetrieben und saugt somit Luft an Die Luft wird hierbei in die Rohrleitung gedrückt und durch die Verringerung des

Raumes komprimiert

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Geometrieerstellung

Gedankenmodell des Ingenieurs wird auf Papier übertragen und Betriebsbedingungen festgelegt

Die 2D-Zeichnung wird mithilfe von CAD-Tools in den Rechner überführt Importierung der Turbine aus vorherigen CAD-Aufgaben Generierung der Rohrleitung Anpassung der Größe des Turbinenrades Vernetzung der beiden Komponenten

Gestaltungsregeln beachten Die Geometrieerstellung kann bereits einen starken Einfluss auf die

Laufzeit/Güte haben Aus diesem Grund wird die Wandstärke des Rohres vernachlässigt

Überführung des CAD-Models in die CFD-Umgebung

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Geometrievernetzung/ Erstellung der Kontrollvolumina

Bestimmung des Kontrollvolumens

Aus Geometriegründen reicht die Betrachtung eines Ausschnitts, in diesem Fall eine Schaufel (3. Bild)

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Geometrievernetzung/ Erstellung der Kontrollvolumina

Gliederung des Bauteils in partielle Flächen durch Gitterstruktur

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Geometrievernetzung/ Erstellung der Kontrollvolumina

Projezierung der Struktur auf die anderen Schaufeln

Vergleich verschiedener Gitterstrukturen

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Geometrievernetzung/ Erstellung der Kontrollvolumina

Tetra/prism Erstellung der Gitterstruktur aus Tetraedern (automatisch) Ungenau im Grenzbereich Geringe Generierungszeit/kosten

Hexa Manuelle Gittererstellung Bessere Auflösung im Grenzbereich. Führt zu genauerer Auswertung Hohe Generierungszeit/kosten

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Geometrievernetzung/ Erstellung der Kontrollvolumina

Bestimmung der Randbedingungen

Vorgegeben durch Materialgrenzen/Umgebungsbedingungen Eingabe des maximalen Druck sowie der Temperatur am Turbineneinlass Eingabe des statischen Drucks und des Massenflusses

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Geometrievernetzung/ Erstellung der Kontrollvolumina

Bestimmung der Randbedingungen

Vorgegeben durch Strömungseigenschaften und Wechselwirkungen Stationäre Strömungsbedingung, da der Startvorgang uninteressant ist Modellwahl für Wechselwirkung zwischen Stator und Rotor. Verwendung

des RSI-Frozen Rotor Modells. Berücksichtigung der turbolenten Strömung führt zum SST- Turbulence

Modell

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Numerische Lösung

Nach Eingabe der RB beginnt das Programm mit der numerischen Lösung

In jedem Mittelpunkt der einzelnen Gitterkomponenten werden Masse-, Impuls-, Energieerhaltungssatz angewandt. Durch die verschiedenen Modelle kommen noch weiter Differentialgleichungen hinzu.

Exakte Differentiallösungen führen zu Problemen Nicht immer ist eine exakte Lösung möglich Exakte Lösung kann sehr viel Zeit in Anspruch nehmen

Verwendung von numerischer Berechnung Näherungslösung führt zu folgenden Fehlern

Modellfehler Diskretisierungsfehler Konvergenzfehler

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Auswertung des Ergebnisses

Betrachtung des Druckes und der Geschwindigkeit

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Auswertung des Ergebnisses

Druck und Geschwindigkeit verhalten sich anti-proportional

Druck ist am Einlass am geringsten und erhöht sich je weiter das Fluid fortschreitet Des Weiteren steigt der Druck mit größerem Radius

Die Geschwindigkeit ist am Einlass am größten und verringert sich mit der Laufzeit des Fluides im Verdichter

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Auswertung des Ergebnisses

Differenzierung der einzelnen Betriebspunkte und deren Auswirkungen.

Betrachtung des Wirkungsgrades

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Auswertung des Ergebnisses

Der Wirkungsgrad ist sowohl von dem „Kopfspiel“ als auch von dem Massenstrom abhängig

Je höher das „Kopfspiel“ desto geringer der Wirkungsgrad

Wirkungsgrad hält sich für einen Massenstrom von 0,28 [Kg/s] bis 0,32 [Kg/s] relativ konstant

Absenkung des Wirkungsgerades bei einem Massenstrom der größer als 0,32 [Kg/s] beträgt

Das Maximum besteht bei einem Massenstrom von 0,32 [Kg/s] und einen Kopfspiel von 0mm

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Auswertung des Ergebnisses

Differenzierung der einzelnen Betriebspunkte und deren Auswirkungen.

Betrachtung des Druckes am Austritt

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Auswertung des Ergebnisses

Druckverlauft weißt parallelen zum Wirkungsgrad auf

Erhöhung des Massenstroms führt zu geringerem Austrittsdruck

Erhöhung des Kopfspiels führt ebenfalls zum geringerem Austrittsdruck

Wirkungsgrad ist bei einem Turboverdichter an den Druck gekoppelt