ZurAuslegungund CFD-Simulation von · PDF fileAuslegungund CFD-Simulation von Strömungsmaschinen 1.1 Klassifizierung, Beispiele Kreiselpumpen Abgasturbolader Wasserturbinen Windturbinen

NUMET 2010

Zur Auslegung und CFD-Simulation von Strömungsmaschinen

Dipl.-Ing. Ralph-Peter Müller CFturbo® Software & Engineering GmbH

Auslegung und CFD-Simulation von Strömungsmaschinen

Inhalt1. Einführung

1.1 Klassifizierung Strömungsmaschinen

1.2 CAE-basierter Entwicklungsprozess

2. Auslegungsmethodik von Strömungsmaschinen

2.1 Auslegung und Entwurf einer einstufigen Kreiselpumpe, Online-Demo

2.2 Grundgleichungen zur Auslegung von Strömungsmaschinen

2.3 Anwendung empirischer Erkenntnisse beim Laufradentwurf

3. CFD-Simulation

3.1 Beispiel Turboverdichter – Vernetzungs- und Simulationsmethodik

3.2 Beispiel Pumpe – Vergleich verschiedener CFD-Solver

3.3 Beispiel Axialventilator – Rotor-Stator-Interfaces

3.4 Software

3.5 Literatur23.02.2010 NUMET 2010 Seite 2

Auslegung und CFD-Simulation von Strömungsmaschinen1.1 Klassifizierung, Beispiele

Kreiselpumpen

Abgasturbolader

Wasserturbinen

Windturbinen

Ventilatoren

Dampf- und Gasturbinen

Gebläse

Turboverdichter

Propeller

23.02.2010 NUMET 2010 Seite 3


Inkompressibel Hydraulische Strömungsmaschine

Kompressibel Thermische Strömungsmaschine

Mechanische Energieí Strömungsenergie

Arbeitsmaschine(Pumpen, Verdichter, Ventilatoren)

Strömungsenergieí Mechanische Energie

Kraftmaschine(Turbinen)

Laufradform

Dichteänderung im Fluid

Energie-übertragung

nq = 10…50 Radialrad

nq = 50…150 Halbaxialrad, Diagonalrad

nq = 150…400 Axialrad

1.1 Klassifizierung von Strömungsmaschinen

43

21*

q YQnn =

* Spezifische Drehzahl

NUMET 2010 Seite 423.02.2010



Geometriemodell

Simulation CFD, FEA

Voroptimierung

Prototyp

Modellversuch

Optimierung

Auslegung,Vorentwurf

Geometriemodell

Prototyp

Modellversuch

Optimierung

Geometriemodell

Simulation CFD, FEA

Optimierung

SerienproduktSerienproduktSerienprodukt

Auslegung,Vorentwurf Auslegung,Vorentwurf

Ohne Simulation Simulation & Protyping Virtual Engineering

Validierung

23.02.2010 NUMET 2010 Seite 5


Seite 6

ZIELE

Schnelle und zuverlässige Vorausberechung der Kennlinien/Kennfelder, der Wirkungsgrade und des Leistungsbedarf der Turbomaschine

Berechnung von Kräften, Momenten und Temperaturen als Grundlage derDimensionierung und Gestaltung von Bauteilen

Detaillierte Untersuchung von Verlustmechanismen (z.B. Radseitenreibung, Spaltverluste in Dichtungen, Stoßverluste, usw.)

Kavitation, bei hydraulischen Strömungsmaschinen

Simulation transienter und akustischer Phänomene


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Seite 7

ZIEL - Vorausberechnung

Kennlinien/Kennfeldern

Wirkungsgraden

Leistungsbedarf

Automatisierte CAE-Prozesse erlaubenschnellen Wechsel zwischen Auslegung/ Entwurf und Simulationen, ohne Interaktion

Voraussetzungen

- Parametriesierbares Entwurfsprogramm

- Vollautomatischen Netzgenerator

- Batchfähigen CFD-Löser, inkl. Postproc.

Geometriemodell

CFD-Simulation

Optimierung

Serienprodukt

Auslegung,Vorentwurf

Validierung


23.02.2010 NUMET 2010


2.1 Auslegung und Entwurf einer einstufigen Kreiselpumpe – OnlineAuslegungsdaten

- Volumenstrom 100 m³/h

- Förderhöhe 35 m (∆ptotal = 3.5 bar)

- Drehzahl 3500 min-1

- Fluiddichte 1000 kg/m³

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2.2.1 Masseerhaltung (Kontinuität)

2.2.2 Impulserhaltung

Eulersche Hauptgleichungder Turbomaschinen

.constcAm =⋅⋅ρ=&Allgemein:Inkompressibel:Laufrad:

.constcAQ =⋅=

( ) 2m22mS2

N2

S cbdcdd4Q ⋅π=⋅−π=

Allgemein :

Inkompressibel :

Laufrad:(Umfangsrichtung)

( ) 0FFFFAc WGp2 =++++ρ∆ τ

WandreibungWanddruck

GravitationStatischer Druck

Impuls

0Fcm =∑+&

( )rcmMcmF uuu ∆⋅=∆⋅= &&

( )ucmMP u∆⋅=ω= &


NUMET 2010 Seite 923.02.2010


2.2.3 Energieerhaltung

( ) 0PPhm MeTht =++∆ &

Erster Hauptsatz der Thermodynamik:

Enthalpiestrom potentiell

dynamisch

gz2cpUh

2

t ++ρ

+=

statischInnere Energie

mechanischthermisch

Ohne äußere Energieübertragung; U=const.:

( ) 0hm t =∆ & ( )V222

22

2112

11

1t pgzc2

pgzc2

pp ∆+ρ+ρ

+=ρ+ρ

+=

Totaldruck (Staudruck)

Bernoulli-Gleichung für stationäre Strömung

mit

Druckverluste


NUMET 2010 Seite 1023.02.2010


Inkompressibel:ρ = const.T = const.

.constm =&

−+

ρ−

=∆⋅=2

ccppmhmP2

12

212tMe &&

2ccpppgHhY

21

2212t

t−

+ρ−

=ρ

∆==∆=

Annahmen: Pth = 0, z ≈ const.,

−+−=∆⋅=

2

21

22

12cchhmhmP tMe &&

2

21

22

12cchhhY t

−+−=∆=

2.2.3 Energieerhaltung2.2 Grundgleichungen zur Auslegung von Strömungsmaschinen

NUMET 2010 Seite 1123.02.2010


2.2.4 Absolute und relative Strömung

AbsolutgeschwindigkeitRelativgeschwindigkeitUmfangsgeschwindigkeit ru

rr⋅ω=

wrcr

wucrrr

+=

Kinematische Grundgleichungder Turbomaschinen


NUMET 2010 Seite 12

( )ucmMP u∆⋅=ω= &

Y=P/m= cu2*u2 − cu1*u1

Eulergleichung

Spezifische Arbeit

23.02.2010


α : Winkel der Absolutströmungβ : Winkel der Relativströmung

Geschwindigkeitsdreiecke

2.2 Grundgleichungen zur Auslegung von Strömungsmaschinen2.2.4 Absolute und relative Strömung

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Y= cu2*u2 − cu1*u1

Spezifische Arbeit

23.02.2010

Höhere Arbeitsübertragungim Laufrad z.B. durch:

- Drehzahlsteigerung (∆u)- Größerer Schaufelaustritts-winkel βs2 (∆cu)

bei ansonsten vergleichbarenBedingungen.


Förderleistung

Kupplungsleistung

tQ pQgHQYmP ∆⋅=⋅ρ=⋅= &

MSC PPP~P ++=

Thv

Q

Thv

PYmY~m~P~ηηη

=ηηη

⋅=⋅=

&&

Mechanische Verluste (Dichtungen, Lager)

Radseitenreibung

Schaufelleistung (inkl. Strömungsverluste und Leckage)

EntwurfswirkungsgradInterne ArbeitInterner Massestrom

2.2.5 Leistung2.2 Grundgleichungen zur Auslegung von Strömungsmaschinen

NUMET 2010 Seite 1423.02.2010


%99%93Q~Q

v K≈=η

( )( )AufwandeistungKupplungslNutzentungFörderleis

PP

C

Qmi ==η⋅η=η

svThi η⋅η⋅η⋅η=ηMechanischer WG %5.99%95

PP1

C

Mm K≈−=ηInnerer WG

%995%6PP1

C

Ss K≈−=η

Volumetrischer WG

Tip clearance WG

(kleine … große Maschinen)

(nq í)

Strömungs WG %95%60Y~Y

h K≈=η

( ) 2bbx

k1PP1

21

Tip

C

TT +

−≈−=η β

(Maschinengröße í)

Gesamt-wirkungsgrad

Radseitenreibungs WG

2.2 Grundgleichungen zur Auslegung von Strömungsmaschinen2.2.6 Wirkungsgrad

NUMET 2010 Seite 1523.02.2010


2.3 Anwendung empirischer Erkenntnisse beim LaufradentwurfZur Gestaltung der Laufräder und Spiralgehäuse werden eine Reihe von verfügbaren empirischen Zusammenhängen genutzt. Diese sind im Regelfallüber der spezifischen Drehzahl aufgetragen - dimensionslos oderdimensionsbehaftet - z.B. für

- Verschiedene Wirkungsgrade

- Druckzahl

- Breitenzahl, Durchmesserzahl

- Minderumlenkung, Minderleistung

- Eintritts- und Austrittswinkel der Strömung

- Umschlingungswinkel der Schaufeln

- Schaufelanzahlen

- Schaufeldickenverteilung

Nutzung allgemein zugängiger und/oder proprietäter Erkenntnisse imEntwurfsprozess

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2.3 Anwendung empirischer Erkenntnisse beim LaufradentwurfBeispiel: Hydraulischer Wirkungsgrad für Pumpenlaufräder

Q),f(nη qh =

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Auslegung und CFD-Simulation von Strömungsmaschinen3. CFD-Simulation, Beispiele

1. Turboverdichter

2. Pumpe

3. Axialventilator

Anhand der Beipiele werden die Integration der Entwürfe in die CAE-Umgebungdargestellt, sowie verschiedene Aspekte zur Vernetzung, CFD-Simulation und Optimierung erläutert.

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Auslegung und CFD-Simulation von Strömungsmaschinen3.1 CFD-Simulation, Beispiel 1 - Turboverdichter

Auslegungspunkt

- Massestrom m= 0.285 kg/s

- Druckverhältnis Πtot = 2.25

- Drehzahl n 70.000 min-1

- Luft, Ruhetemperatur TR=20 °C

Hauptabmessungen Laufrad

- Saugmund-Durchmesser DS = 60 mm

- Laufrad-Durchmesser D2 =103 mm

- Laufrad-Breite b2 = 5 mm

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Ableitung Berechnungsgebiet (Flow Domain)3.1 CFD-Simulation, Beispiel 1 - Turboverdichter

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• Automatisierte Vernetzung• Setup im Auslegungsprogramm

Vergabe der Vernetzungsparameter3.1 CFD-Simulation, Beispiel 1 - Turboverdichter

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Tetra/Prism Hexa(automated) (manual)

Design and meshing for whole compressor/turbine stage takes less than 1 hour

Script-based impeller meshing (ICEM Hexa and

TurboGrid) in development

Gittertyp – Hexaeder oder Tetra/Prism ?3.1 CFD-Simulation, Beispiel 1 - Turboverdichter

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INLET Total Pressure,Temperature

OUTLET Static Pressure or MassflowSteady SimulationRSI - Frozen RotorSST-Turbulence Model

Ziel der Berechnungen

• Schnelle Kennfeldvorhersage

• So viele Rechenläufe wie nötig, so wenige wie möglich!

• Nutzung von Ähnlichkeits-beziehungen

• Vergleich verschiedener Entwürfe

• Druckverhältnisse

• Wirkungsgrade

• Stabiler Betriebsbereich

Vorgabe der Randbedingungen3.1 CFD-Simulation, Beispiel 1 - Turboverdichter

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Πts = 1.48Ptot Inlet = 101325 Pa→ Pstat Outlet = 150kPa

Πts = 1.48

Simulation StrategyEmpirische Kennfeldschätzung

PossibleUnstableRegion

Pstat Outlet = 150kPa

Planung Simulation3.1 CFD-Simulation, Beispiel 1 - Turboverdichter

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Drei Laufräder, ein Spiralgehäuse1. Laufrad ohneTip clearance

2. Laufrad mit 0.2 mm Tip clearance

3. Laufrad mit 0.4 mm Tip clearance

Hub

Shroud

Tip Clearance

Span

Impeller

Simulierte Modelle3.1 CFD-Simulation, Beispiel 1 - Turboverdichter

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0.2 mm Tip Clearance 0.4 mm Tip Clearance

3.1 CFD-Simulation, Beispiel 1 - Turboverdichter Einfluss der “Tip Clearance” auf den “Tip Vortex” im Laufrad

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0.2 mm Tip Clearance 0.4 mm Tip ClearanceNo Tip Clearance

Mach Number90% Span

3.1 CFD-Simulation, Beispiel 1 - Turboverdichter Einfluss der “Tip Clearance” auf die Machzahlvertreilung im Laufrad

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Seite 28

No Tip Clearance

0.4 mm Tip Clearance

0.2 mm Tip Clearance

CFturbo Estimation

Design Point

NUMET 2010

3.1 CFD-Simulation, Beispiel 1 - Turboverdichter Einfluss der “Tip Clearance” auf Verdichter-Kennlinie und Wirkungsgrad

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Vorhersage der Pumpgrenze bei Ventilatoren und Verdichtern mittels CFD ??

77.4

118.7

160

191

216.8

237.4

nredV = 250.9 * 103 min-1

hisV = 0.75

0.74

0.73

0.72

0.7

0.68

0.66

0.64

0.62

0.6

0.55 0.5

0.5

0.45

50

0.8

1.2

1.6

2.0

2.4

2.8

0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08

0.70

Schwierig …mittels quasistationären CFD-Berechnungen:

- Transientes Problem- Systemabhänging !

Aufwendig …mittelstransienter Simulation

Indizien für instabilen Bereich- Lösungsstabilität und Konvergenzverhalten schlechter als bei hohen Masseströmen- Versperrung des freien Strömungsquerschnitt am Laufradaustritt

3.1 CFD-Simulation, Beispiel 1 - Turboverdichter

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Auslegung und CFD-Simulation von Strömungsmaschinen3.2 CFD-Simulation, Beispiel 2 - Pumpe

Kennlinienberechnung mit verschiedenen CFD-Solvern

- Auslegung der Pumpe mit CFturbo, analog Online-Demo

- Automatische Datenaufbereitung und Vernetzung (t<30 min)

- CFD-Simulation mit ANSYS-CFX, CFdesign, PumpLinx

- Kennlinienvergleich

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Entwurf, CAE-Setup

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Auslegung und CFD-Simulation von Strömungsmaschinen3.2 CFD-Simulation, Beispiel 2 - PumpePumpLinx

23.02.2010 NUMET 2010 Seite 32

Auslegung und CFD-Simulation von Strömungsmaschinen3.2 CFD-Simulation, Beispiel 2 - PumpeCFdesign

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ANSYS-CFX

23.02.2010 NUMET 2010 Seite 34


Vergleich der Kennlinen

Auslegung CFturbo

Abweichungen ∆H < 2 … 8 %ØAuswahl des CFD-Solvers nach speziellen

Anforderungen und Möglichkeiten des AnwendersØEmpfehlung: Benchmark durchführen !

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Auslegung und CFD-Simulation von Strömungsmaschinen3.3 CFD-Simulation, Beispiel 3 - Axialventilator

Virtueller Prüfstand “Kühlmodul”

- Grundsatzuntersuchung für Einbauzustand “im Fahrzeug”

- Berechnung der Lüfter-Kennlinien und der Abströmprofile

- Vergleich verschiedener Methoden zur Mittelung am Rotor-Stator- Interface

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23.02.2010 NUMET 2010 Seite 37

Abströmkanal mit Verblockung

Zulaufgebiet

WärmetauscherLüfterzarge

LaufradStator


23.02.2010 NUMET 2010 Seite 38

Virtueller Prüfstand “Kühlmodul”- Transiente Strömungssimulation


23.02.2010 NUMET 2010 Seite 39

Mixing Plane (Stage Inteface)Umfangsmittelung - Radiales Impuls-und Druckprofil wird um Drehachse rotiert (funktioniert in beideRichtungen)

Frozen Rotor1:1 Übertragung der physikalischen Größen von der einen auf die andere Seite des Interfaces(Momentaufnahme)

Vergleich verschiedener Rotor-Stator-Interfaces

Ø ALTERNATIVEN zur transienten Simulation ! (?)


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Mixing Plane Frozen RotorTransient Rotor Stator

Vz


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Abströmprofil - Transiente Strömungssimulation


23.02.2010 NUMET 2010 Seite 42

Diff

eren

z St

atis

cher

Dru

ck (S

3-S6

) [Pa

]

Transient

Mixing Plane (MP)

Frozen Rotor (FR)

Lösung für MP und FR ist abhängig von der Lage derRotor-Stator-Interfaces (RSI) !

Berechnung der Arbeitsüber-tragung im Laufrad wird überLage des RSI beeinflusst.

Volumenstrom Q/Qref

RSI


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Transient

Mixing Plane

Frozen Rotor


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MP +20 mm/+20 mm

Transient

Fazit: Wahl und Lage der RSI immer kritisch hinterfragen, hier + 50 mm Abstand ausreichend

MP +50 mm/+50 mm


3.4 Software*Auslegungs- und Entwurfssoftware (Firma)

- Agile Design System, AxCent (Concepts NREC)

- ANSYS Blade Modeler (ANSYS)

- AxStream (SoftInWay)

- CFturbo (CFturbo)

- Turbodesign-1 (ADT) - Inverses Entwurfsverfahren

CFD-Simulationssoftware

- ANSYS CFX, Fluent (ANSYS)

- CFdesign (Blue Ridge Numerics)

- Fine/TURBO (NUMECA)

- PumpLinx (Simerics)

- STAR CCM+ (CD Adapco)* Exemplarische Aufstellung, Keinerlei Wertung der Programme durch die Reihenfolge, Kein Anspruch auf Vollständigkeit

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Auslegung und CFD-Simulation von Strömungsmaschinen3.5 Literatur Turbomaschinen

ALLGEMEINWerner FisterFluidenergiemaschinen Bd. 1 und 2Springer-Verlag, 1984 und 1986

Carl Pfleiderer, Hartwig PetermannStrömungsmaschinenSpringer-Verlag, 1991

Joachim RaabeHydraulische Maschinen und AnlagenVDI-Verlag, 1989

Arnold Whitfield, Nicholas C. BainesDesign of Radial TurbomachinesLongman Scientific & Technical, 1990

VENTILATORENLeonhard Bommes, Jürgen Fricke,Reinhard GrundmannVentilatorenVulkan-Verlag, 2003

Bruno EckVentilatoren Springer-Verlag, 1991

Thomas CarolusVentilatorenTeubner-Verlag, 2003

KREISELPUMPENJohann F. GülichKreiselpumpenSpringer-Verlag, 1999

Kurt Holzenberger, Klaus JungKreiselpumpen LexikonKSB AG, 1989

John TuzsonCentrifugal pump designJohn Wiley & Sons, 2000

Walter WagnerKreiselpumpen und KreiselpumpenanlagenVogel-Verlag, 1994

Gotthard WillKreiselpumpen, in: Taschenbuch Maschinenbau, Band 5Verlag Technik Berlin, 1989

TURBOVERDICHTERRonald H. AungierCentrifugal CompressorsASME Press, 2000

Klaus H. LüdtkeProcess Centrifugal CompressorsSpringer-Verlag, 2004

Bruno Eckert, Erwin SchnellAxial- und RadialkompressorenSpringer-Verlag, 1980

David JapikseCentrifugal Compressors Design and PerformanceConcepts ETI, 1996

N. A. CumpstyCompressor aerodynamicsKrieger publishing, 2004

Ernst LindnerTurboverdichter, in: Taschenbuch Maschinenbau, Band 5Verlag Technik Berlin, 1989

TURBINENRonald H. AungierTurbine AerodynamicsASME Press, 2006

Hany Moustapha, Mark Zelesky, Nicholas C. Baines, Davide JapikseAxial and Radial TurbinesConcepts NREC, 2003

23.02.2010 NUMET 2010 Seite 46

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