Simulation rotierender Verdrängerpumpen vereinfachen

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Spezielle Methoden zur Strömungssimulation dieser Pumpentypen nötig

Um diese Probleme zu lösen, sind spezielle Methoden zur numerischen Strömungssimulation dieser Pumpentypen nötig. Von den vielen im Laufe des letzten Jahrzehnts veröffentlichten numerischen Berechnungsmethoden konnten sich jedoch nur wenige numerische Verfahren etablieren und in kommerziellen CFD-Softwarepaketen Anwendung finden.

Im Wesentlichen haben sich zwei unterschiedliche Techniken für die CFD-Simulation von rotierenden Verdrängerpumpen etabliert: Die heute gängigste Technik ist die „Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE) Method“, zu der unter anderem auch die in Fluent implementierte „Moving-Mesh-Methode“ gehört. Dabei werden die Rechennetze des Fluidraums für jeden Zeitschritt verändert und können sich somit gleichzeitig mit der Drehbewegung der Drehkolben, Zahnräder oder ähnlichem verformen. In Bereichen sehr großer Verformung werden einzelne Rechenzellen auch entfernt oder hinzugefügt

Einen völlig konträren Ansatz für die numerische Strömungssimulation von rotierenden Verdrängerpumpen ermöglichen die „Fictitious Domain (FD) Methods“. Zu diesen Methoden zählt unter anderem auch die „Immersed-Solid-Methode“, welche für die in diesem Beitrag präsentierten Berechnungen verwendet wurde.

Einfachere Strömungsberechnung bei komplexen Geometriebewegungen

Mit der in Ansys-CFX 12.1 erstmals implementierten Immersed-Solid-Methode ist es möglich, den Effekt komplexer Geometriebewegungen auf die Strömung einfacher zu berechnen. Für die Anwendung dieser Methode sind grundsätzlich zwei CFD-Domains erforderlich: Einerseits muss ein Fluid-Rechennetz für das gesamte Pumpengehäuse erzeugt werden, andererseits werden die Verdrängungskörper separat vernetzt und als Immersed-Solids definiert. Danach werden die Rechennetze der rotierenden Verdränger in das Pumpengehäuse eingesetzt, wodurch sich Bereiche ergeben, in denen sich die Fluid- und Solid-Rechennetze überlagern (Bild 2).

Der Ansys-CFX-Solver detektiert die Bereiche der Überlappung und fügt den Navier-Stokes-Gleichungen, die die Strömungsvorgänge im Inneren der Pumpe mathematisch beschreiben, in diesem Falle Quellterme (Körper- beziehungsweise Massenkräfte) hinzu. Diese bewirken die Verdrängungswirkung der rotierenden Kolben. Am Rand der Drehkolben wird den entsprechenden Rechenzellen dadurch die Geschwindigkeit der Kolben aufgeprägt. Somit lässt sich berechnen, wie die Bewegung der Verdrängungskörper die Strömung im Pumpengehäuse beeinflusst.

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