Fessmann validates their HVAC design with amazing accuracy using SimScale

THE DESIGN CHALLENGE

Implementing CAE & CFD for the First Time  

Fessmann decided to incorporate CAE into their design process as they embarked on an exciting unique project; developing a new food plant series. The engineers at Fessmann had previously relied on purely empirical approaches, and tried and tested methods of development, production, and construction of their plants. For this new project, they decided it was time to bring in CAE.

FESSMANN’S DESIGN PROCESS

Trials & Tribulations of Making the Virtual Shift 

Initially, the team at Fessmann struggled with fully transferring their evaluation process from offline to online. Innately, it is a difficult task to predict the airflow and behavior within ventilation systems, and their specific process was historically based on empirical experience. 

Luckily, the team quickly was able to convert their empirical knowledge into digital data. As the Fessmann engineer team already had in mind a rough idea of what they wanted to achieve based on existing plant ventilation behavior, the number of iteration loops was minimized, as well as physical resources that would have been utilized for prototype testing.

HOW THEY SOLVED IT WITH SIMSCALE

Analyzing Airflow with CFD

For Fessmann’s initial try incorporating CAE evaluation into their workflow as an alternative to physical testing, the team wanted to use a cloud-based solution so that they didn’t need to locally house or store a non-cloud-based application. At first, they experienced the expected growing pains of changing evaluation methodologies, and formed some questions regarding CAD cleanup, how to prepare the mesh, as well as other general queries about the interaction between different boundary conditions. 

Fortunately, the SimScale support team was able to square these away and get the team back on track for their project without even taking a detour. From that point onwards, the team at Fessmann began running simulations that all took the form of incompressible, steady-state, turbulent to evaluate airflow.

“With this development project, we wanted to use simulation software for the first time to predict fluid flows. SimScale facilitated this, as we were able to calculate the air-carrying components individually, and then calculated and optimized the different findings in combination.” – Christoph Rapp

The team ran about 300 simulations in total, using around 50 CPU hours per simulation run. Throughout their evaluation process, they used no more than 96 cores per simulation to gather their desired results. 

RESULTS & NEXT STEPS

Virtual Velocity to Real-Life Implementation

In the end, the team at Fessmann was able to design the proposed plant according to the calculated airflows attained through cloud-based CFD simulations using SimScale. This led to real-life prototype testing, where the team informed the designs were then verified flawlessly. 

“The calculation results enabled us to react with design modifications to effects in the airflow even before the real tests, and to take these into account in the dimensioning, as well as to check and adjust their effects in the simulation” – Christoph Rapp

Since the implementation of SimScale into their iterative design process, Fessmann has been able to report a reduction of development time, empirical iteration loops, as well as a number of physical prototypes.

SimScale and Fessmann look forward to continued collaboration on future plant development projects, as well as any additional engineering endeavors! 

DIE ENTWICKLUNGS-HERAUSFORDERUNG

Erstmalige Anwendung von CAE & CFD  

Fessmann beschloss CAE in ihren Konstruktionsprozess einzubinden, als sie ein einzigartiges, herausforderndes Projekt in Angriff nahmen: Die Entwicklung einer neuen Serie von Anlagen zur Herstellung von Lebensmitteln. Die Ingenieure bei Fessmann hatten sich bisher auf rein empirische Ansätze bei der Entwicklung, Produktion und Konstruktion ihrer Anlagen verlassen. Für dieses neue Projekt entschieden sie sich für die Anwendung von CAE.

FESSMANNS ENTWICKLUNGS-PROZESS

Hürden bei der Realisierung des virtuellen Umstiegs

Anfangs hatte das Team von Fessmann damit zu kämpfen, den bisherigen Offline-Evaluationsprozess auf Online umzustellen. Grundsätzlich ist es eine schwierige Aufgabenstellung den Luftstrom und das Verhalten in Lüftungssystemen vorherzusagen, wobei Fessmanns individueller Prozess historisch bedingt auf empirischen Beobachtungen beruhte.

Glücklicherweise konnte das Team seinen Erfahrungsschatz schnell in digitale Form bringen.  Das Fessmann-Ingenieurteam hatte bereits eine gewisse Vorstellung davon, was auf Grundlage des bestehenden Belüftungsverhaltens der Anlage erreichbar sein wird. Deshalb wurden sowohl die Anzahl der Designiterationen als auch die Sachressourcen, die für die Erprobung des Prototyps eingesetzt worden wären, minimiert.

WIE FESSMANN SIMSCALE ZUR LÖSUNG EINSETZTE

Luftstrom Analyse mit CFD

Bei Fessmanns erstem Versuch, die CAE-Analyse als Alternative zu realen Tests in den Arbeitsablauf zu integrieren, setzte das Team auf eine Cloud-basierte Lösung. Das Unternehmen wollte die kollaborativen Möglichkeiten und flexiblen Rechenkapazitäten einer webbasierten Anwendung nutzen. Zuerst durchliefen sie die erwarteten Anfangsschwierigkeiten bei der Umstellung der Berechnungsmethoden und hatten einige Fragen zur CAD-Vorbereitung, Rechennetzerstellung sowie weitere allgemeine Fragen zur Anwendung verschiedener Randbedingungen.

Glücklicherweise konnte das SimScale-Supportteam  diese Hürden aus dem Weg räumen und das Team auf den richtigen Weg für sein Projekt bringen. Von diesem Zeitpunkt an begann das Team bei Fessmann mit der Simulation von inkompressiblen, stationären und turbulenten Strömungen, um die Luftführung der Belüftungssysteme zu optimieren.

“Mit diesem Entwicklungsprojekt wollten wir erstmals eine Simulationssoftware zur Vorausberechnung von Strömungen einsetzen. Daher wurden die luftführenden Komponenten zunächst einzeln und anschließend im Verbund berechnet und optimiert” – Christoph Rapp

Insgesamt führte das Team etwa 300 Simulationen durch, wobei pro Simulationslauf etwa 50 CPU-Stunden benötigt wurden. Während des gesamten Evaluierungsprozesses verwendeten sie bis zu 96 Kerne pro Simulation, um die gewünschten Ergebnisse zeiteffizient zu erzielen. 

ERGEBNISSE UND NÄCHSTE SCHRITTE

Die Umsetzung von virtueller Entwicklungsgeschwindigkeit ins echte Leben

Am Ende konnte das Team von Fessmann die vorgeschlagene Anlage entsprechend den berechneten Luftströmungen, die mittels Cloud-basierten CFD-Simulationen von SimScale vorhergesagt wurden, auslegen.Dies führte zu realen Prototypentests, bei denen das Team angab, dass die Entwürfe einwandfrei verifiziert wurden.

Seit der Integration von SimScale in den iterativen Designprozess konnte Fessmann eine Reduktion der Entwicklungszeit sowie der Anzahl an empirischen Designiterationen und benötigten Prototypen verzeichnen.

“Die Berechnungsergebnisse ermöglichten es uns, bereits vor den realen Versuchen mit konstruktiven Änderungen auf Auswirkungen in der Luftströmung zu reagieren und diese bei der Dimensionierung zu berücksichtigen sowie deren Auswirkungen in der Simulation zu überprüfen und anzupassen.”

SimScale und Fessmann freuen sich auf die weitere Zusammenarbeit bei zukünftigen Anlagenentwicklungsprojekten sowie auf alle kommenden technischen Vorhaben!