Guerriero Romani Accelerates New Pump Designs with SimScale

Simulieren seit 40 Jahren

Guerreiro Romani setzt SimScale für eine Vielzahl von Pumpensimulationen ein, die von Kühlpumpen bis zu Tauchpumpen reichen. Die Ziele jedes Projekts sind unterschiedlich, und in dieser Fallstudie werden wir uns zwei davon ansehen. Guerreiro Romani entschied sich im November 2018 erstmals für SimScale, als es auf der Suche nach einer Cloud-nativen CFD-Software (Computational Fluid Dynamics) war, um die Energie zu bewerten, die aufgrund von Rückleckagen im Spiralgehäuse einer selbstansaugenden Pumpe verschwendet wird. Die vollständige Verlagerung in die Cloud war eine große Verbesserung gegenüber herkömmlichen CFD-Tools. Es bestand keine Notwendigkeit mehr für spezielle Hardware, hohe Investitionskosten, Datenspeicherung, komplizierte Lizenzschlüssel usw. Der Zugriff auf SimScale erfolgt über einen Webbrowser, wobei viele der traditionellen CFD-Arbeitsabläufe nun automatisiert sind, z. B. die Vernetzung. Mit Hilfe des fachkundigen Support-Teams von SimScale lernte Guerreiro schnell, sich in der Plattform zurechtzufinden, und war innerhalb weniger Wochen in der Lage, selbstständig eine durchgängige CFD-Analyse von Pumpen in SimScale durchzuführen.

Simulation Projekte

Hier werden zwei verschiedene von Guerreiro durchgeführte Projekte vorgestellt. Bei dem ersten handelt es sich um eine selbstansaugende Kreiselpumpe (P246) und bei dem zweiten um eine kundenspezifische zahnradgetriebene Pumpe (P162). P246 war eines der allerersten Projekte, die Guerreiro mit SimScale durchführte. Es war das erste Mal, dass Guerreiro die Simulation in einem so frühen Entwicklungsstadium einsetzte; üblicherweise wurde ein kostspieliges physisches Prototyping durchgeführt. P162 kam drei Jahre später auf den Markt, und zu diesem Zeitpunkt war Guerreiro bereits zu einem Power-User von SimScale geworden, ermutigt durch die immensen Zeit- und Kosteneinsparungen bei der Prototypenerstellung, die durch den Einsatz von SimScale möglich wurden.

Selbstansaugende Zentrifugalpumpe (P246)

In diesem Projekt bewertete Guerreiro den Wirkungsgradverlust einer selbstansaugenden Kreiselpumpe mit einem Loch im Spiralgehäuse. Ein kleines Loch im Pumpengehäuse ist gängige Praxis, um unerwünschte Luft während des Selbstansaugens aus dem System zu entfernen, wobei der Nachteil einer geringeren Effizienz in Kauf genommen wird. Außerdem befürchtete Guerreiro Energieverluste durch die Rückströmung in die Spirale am Ende der Selbstansaugphase. Mit SimScale konnte Guerreiro den Flüssigkeitsstrom, der durch die Ansaugöffnung fließt, simulieren und die damit verbundenen Energieverluste bewerten.

Für diese Simulation wurde der inkompressible Analysetyp von SimScale verwendet. Der inkompressible Solver ist geeignet, wenn die Dichtevariationen in der Strömung vernachlässigbar sind, z. B. wenn die Geschwindigkeits- und Temperaturgradienten relativ klein sind. Es wurde ein stationärer Simulationsaufbau verwendet, bei dem das k-omega-Turbulenzmodell mit einer MRF (rotierende Zonen) zur Beschreibung der Rotation des Laufrads kombiniert wurde. Das Hex-Dominant-Netz wurde verwendet, um schnell ein First-Level-Netz zu erzeugen, das dann für netzunabhängige Ergebnisse verfeinert wurde.

Zur Bewertung der Pumpenleistung wurden für die P246 insgesamt drei Betriebspunkte durchlaufen. Mithilfe des integrierten und einfach zu bedienenden Post-Processing-Moduls konnte er das Ausmaß des Rückflusses durch die Spirale visualisieren und stellte außerdem fest, dass der Rückfluss nur einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Pumpenleistung hatte. Daraus schloss er, dass die Pumpe ohne konstruktive Änderungen betrieben werden kann und dass eine kleine Elektropumpe im selbstansaugenden Modus mit einem vernachlässigbaren Anstieg des Energieverbrauchs eingesetzt werden kann. Guerreiro setzte die Studie fort, um das instationäre Strömungsmuster durch die Pumpe zu bewerten und den optimalen Durchmesser und die Position der Ansaugöffnung zu ermitteln.

Guerreiro extrahierte mit SimScale die Geschwindigkeits- und Druckverteilungen in und um die Pumpe. Früher hätte er für hochpräzise In-situ-Messungen teure Techniken wie die Laser-Doppler-Velocimetrie einsetzen müssen. Da die simulierten Ergebnisse von SimScale mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmten, wurde die Erstellung virtueller Test- und Messszenarien als entscheidend angesehen, um seinen Kunden einen hochwertigen Service zu geringeren Kosten zu bieten.

Kundenspezifische zahnradgetriebene Pumpe (P262)

Das Projekt 262 (P262) ist ein laufendes Projekt mit Guerreiro, dessen Ziel es ist, die Leistung kundenspezifischer zahnradgetriebener Pumpen zu bewerten, einschließlich der Auswirkungen von Kavitation. Aus der Sicht des Konstrukteurs besteht das Ziel darin, die Kluft zwischen erwarteter und erreichter Leistung zu verringern. Traditionell werden eindimensionale empirische Daten, die aus Experimenten mit einem ähnlichen Modell gewonnen wurden, zur Bewertung der Leistung einer neuen Pumpenkonstruktion verwendet. Die Heranziehung einer geometrisch ähnlichen Pumpe als Referenz liefert jedoch nicht immer die genauesten Ergebnisse und schränkt zudem den zu untersuchenden Designraum ein. In diesen Situationen ist die Simulation ein wichtiges Instrument für die Produktentwicklung und -prüfung.

Guerreiro verwendete für seine ersten Tests den auf OpenFOAM basierenden inkompressiblen Analysetyp. Die detaillierte Analyse wurde mit dem neuen Subsonic-Solver durchgeführt, einem turbomaschinenspezifischen Solver mit einem vollständigen Kavitationsmodell für die NPSH-Charakterisierung von Pumpen. Der physikalisch basierte automatische Netzgenerator in Subsonic ermöglicht eine problemlose Netzgenerierung und der binäre Baumalgorithmus stellt sicher, dass kleine Lücken und kritische Merkmale der Geometrie korrekt erfasst werden. Insgesamt wurden 21 stationäre Simulationen parallel durchgeführt, um die Kennlinie der Pumpe zu erhalten, einschließlich der Druckhöhe, der Wellenleistung und des Wirkungsgrads als Funktion der Durchflussmenge. Die gesamte Pumpenkennlinie wurde in 2 Stunden mit nur 30 Kernstunden pro Betriebspunkt ermittelt.

Guerreiro wollte die empirischen 1D-Berechnungen anhand mathematischer Modelle validieren und hatte außerdem Zugang zu Prüfstandsdaten für das Modell P262. Die Simulationsergebnisse für die Kreiselpumpe P262 zeigten eine hohe Übereinstimmung mit den experimentellen Daten für Druckhöhe und Wirkungsgrad über eine Reihe von Fördermengen. Guerreiro beabsichtigt, dieses Projekt fortzusetzen, um eine Kavitationsanalyse durchzuführen und zu untersuchen, wie er den Betriebsbereich der Pumpe durch den Einbau von 4- oder 5-blättrigen Laufrädern erweitern kann. Durch den Einsatz eines simulationsgesteuerten Ansatzes in SimScale konnte Guerreiro Kosten für Experimente einsparen und die Durchlaufzeit der Analyse von zwei Wochen auf zwei Stunden verkürzen.

Nächste Schritte

Insgesamt sparte Guerreiro durch den Einsatz der Simulation bei bestimmten Projekten durchschnittlich 10.000 € an Kosten für Design und Prototyping. Die Durchlaufzeiten für die Konstruktion wurden von Monaten (einschließlich Arbeitsaufwand, Verfügbarkeit von Prüfständen und Herstellung von Prototypen) auf einige Tage verkürzt, da für jedes Projekt keine physischen Prototypen und Tests mehr erforderlich waren. SimScale hat sich als besonders nützlich erwiesen, um neuere Entwürfe in Projekten zu bewerten, für die es keine geometrisch ähnlichen und bereits vorhandenen Pumpen gab, mit denen man die Leistungsparameter vergleichen oder auf denen ein modifizierter Entwurf basieren konnte. Guerreiro ist auch daran interessiert, die kommende Schaufel-zu-Schaufel-Visualisierung zu nutzen, um die Strömung nahe der Schaufel für zwei seiner aktuellen Projekte zu analysieren.