CFX Berlin - TwinMesh für Verdrängermaschinen

TwinMesh für Verdrängermaschinen

Mit Hilfe der Vernetzungssoftware TwinMesh von CFX Berlin erlaubt ANSYS CFD die numerische Strömungssimulation von achsparallelen, zweiwelligen Rotationsverdrängermaschinen wie zum Beispiel Drehkolbenpumpen, Schraubenkompressoren und Zahnradpumpen. Die sich zeitlich ändernden Strömungsverhältnisse im Arbeitsraum der Maschinen können in 2D und 3D unter Berücksichtigung von Phänomenen wie Kavitation und/oder komplexer Thermodynamik berechnet und visualisiert werden. Für die strömungstechnische Analyse und Optimierung von rotierenden Verdrängermaschinen steht Entwicklungsingenieuren damit erstmalig eine effiziente CFD-Simulationsumgebung bereit.

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Bild Gear Pump
Druckverteilung in einer Zahnradpumpe
Mesh Gear Pump
Strukturiertes Rechengitter für eine Zahnradpumpe
Bild Rechengitter Zahnradpumpe
strukturiertes Rechengitter für eine Zahnradpumpe
Bild TwinMesh GUI external gear pumps
Benutzeroberfläche TwinMesh für Zahnradpumpen
Bild TwinMesh GUI Innenzahnradpumpe
Benutzeroberfläche von TwinMesh für Innenzahnradpumpen (internal gear pumps)
Bild: TwinMesh Gerotor Mesh Quality Min Determinant Zoom
Qualitätskontrolle in TwinMesh: Anzeige der minimalen Determinanten für das Rechengitter einer Gerotorpumpe für eine bestimmte Rotorposition
Bild TwinMesh Gerotor mesh quality MinDeterminant
Qualitätskontrolle in TwinMesh: Darstellung der minimalen Determinanten für das Rechengitter einer Gerotorpumpe für eine bestimmte Rotorposition
Bild: TwinMesh gerotor mesh quality minAngle zoom
Qualitätskontrolle in TwinMesh: Anzeige der minimalen Element-Innenwinkel im Rechengitter einer Gerotorpumpe für eine bestimmte Rotorposition
Bild: TwinMesh Gerotor Quality MinAngle
Qualitätskontrolle in TwinMesh: Darstellung der Element-Innenwinkel für das Rechengitter einer Gerotorpumpe für eine Rotorposition
Bild TwinMesh Gear Pump Quality Min Determinant Zoom
Qualitätskontrolle in TwinMesh: Detailansicht der minimalen Determinanten für das Rechengitter einer Zahnradpumpe für eine Rotorposition
Bild TwinMesh Gear Pump Quality Min Determinant
Qualitätskontrolle in TwinMesh: Ansicht der minimalen Determinanten für das Rechengitter einer Zahnradpumpe für eine Rotorposition
Bild: TwinMesh Gear Pump Quality Min Determinant
Qualitätskontrolle in TwinMesh: Ansicht der minimalen Determinanten für das Rechengitter einer Zahnradpumpe für eine Rotorposition
2D-Rechengitter einer Drehkolbenpumpe für eine Winkelstellung
Videovorschau: Beispiel für die Darstellung von Druckaufbau und Pulsation in einem Schraubenverdichter
Bild Video Schraubenkompressor
Videovorschau: Darstellung Gitterbewegung und Druckaufbau in einem Schraubenkompressor
CFD-Bild Schraubenverdichter
Ergebnisvisualisierung für einen Schraubenverdichter
Darstellung von Geschwindigkeit, Strömungsvektoren und Kavitation in einer Drehkolbenpumpe
Bild statischer Absolutdruck Drehkolbenpumpe
Darstellung statischer Absolutdruck in einer Drehkolbenpumpe
TwinMesh - Automatisierte Erzeugung von strukturierten Rechengittern für achsparallele, zweiwellige Rotationsverdrängermaschinen
Bild Rechengitter Drehkolbenpumpe
Rechengitter für eine Drehkolbenpumpe
BildGerotor pressure in axial clearance
Darstellung von Druckverteilung im Axialspalt und Geschwindigkeitsvektoren im Strömungsraum einer Gerotorpumpe
Bild Geometrie Drehkolbenpumpe
Geometrie einer Drehkolbenpumpe im ANSYS DesignModeler
Bild Geschwindigleitsverteilung in einer Zahnradpumpe
Darstellung der Geschwindigkeitsverteilung in einer Zahnradpumpe

Modellaufbau & Vernetzung

Geometrieaufbereitung & Vernetzung der stehenden Bauteile

Die für den Aufbau des Strömungsmodelles erforderliche Geometrieaufbereitung erfolgt typischerweise im ANSYS DesignModeler. Wahlweise kann eine Geometrie importiert werden oder mittels 2D-Skizzen und 3D-Operationen händisch erzeugt werden. Anschließend wird das Strömungsvolumen extrahiert und in einzelne Bereiche mit stehenden und rotierenden Bauteilen aufgeteilt. Die Vernetzung der stehenden Bereiche erfolgt mit ANSYS Meshing bzw. mit ANSYS ICEM CFD Hexa.

Geometrie und Strömungsvolumen einer Innenzahnradpumpe
Geometrie und Strömungsvolumen einer Innenzahnradpumpe mir Statornetz
Geometrie und Strömungsvolumen einer Innenzahnradpumpe mit Statornetz
Geometrie und Strömungsvolumen eines Schraubenkomporessors mit Statornetz
Geometrie und Strömungsvolumen eines Schraubenkompressors mit Rotornetz

TwinMesh - automatische Hexaedervernetzung für Rotationsverdrängermaschinen

Für die Vernetzung der rotierenden Bauteile im Arbeitsraum von achsparallelen, zweiwelligen Rotationsverdrängermaschinen hat CFX Berlin die Softwarelösung TwinMesh entwickelt. TwinMesh erzeugt automatisiert qualitativ hochwertige hexahedrale Rechengitter für die sich im Betrieb zeitlich ständig ändernden Strömungsvolumina im Innern einer rotierenden Verdrängermaschine. Zur  späteren Weiterverarbeitung im ANSYS CFX-Löser werden die Knotenverschiebungskoordinaten für alle Positionen der Drehbewegung, d.h. für vordefinierte Winkelstellungen berechnet und gespeichert. Die Software erlaubt die Erzeugung von Rechengittern in 2D und in 3D sowohl für gerade als auch für schräg verzahnte Rotoren. Gitterauflösung sowie Grenzschicht- und Spaltauflösung können dabei natürlich vom Anwender definiert werden. Der Import der Rotorkonturen erfolgt über das Format IGES. Mit Hilfe der in TwinMesh erzeugten Rechengitter können transiente Simulationen im ANSYS CFX-Löser durchgeführt werden.

TwinMesh - Automatisierte Erzeugung von strukturierten Rechengittern für achsparallele, zweiwellige Rotationsverdrängermaschinen
Bild: TwinMesh Gerotor Quality MinAngle
Qualitätskontrolle in TwinMesh: Darstellung der Element-Innenwinkel für das Rechengitter einer Gerotorpumpe für eine Rotorposition
Bild TwinMesh Gear Pump Quality Min Determinant
Qualitätskontrolle in TwinMesh: Ansicht der minimalen Determinanten für das Rechengitter einer Zahnradpumpe für eine Rotorposition

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Berechnung & Auswertung

Transiente CFD-Simulation von rotierenden Verdrängermaschinen mit ANSYS CFD

Aufbauend auf den in ANSYS Extended Meshing und TwinMesh erzeugten qualitativ hochwertigen strukturierten Rechengittern kann in ANSYS CFD eine transiente CFD-Simulation für das Gesamtmodell der Maschine aufgesetzt werden. Über eine spezielle Benutzerroutine (User Fortran) liest der ANSYS CFX-Löser dabei während der Simulation für jede Winkelposition der drehenden Teile jeweils das abgespeicherte Rechengitter ein.

Der Vorteil dieser Methodik liegt im Vergleich zu Simulationen mit Neuvernetzung und/oder verformbaren Netzen in der durch die vom Anwender bereits vor der Simulation definierbaren hohen Qualität der verwendeten Rechengitter und der damit gewährleisteten numerischen Stabilität sowie in der durch die strukturierte Vernetzung bedingten überschaubaren Modellgröße.  Auch müssen keinerlei Kompromisse oder Einschränkungen hinsichtlich Genauigkeit und Verfügbarkeit von physikalischen Modellen akzeptiert werden, wie z.B. bei der "Immersed Solid"-Methode, sondern der Anwender kann alle in ANSYS CFX vorhandenen Möglichkeiten für seine Simulation verwenden. 

Möglich sind mit dieser Methodik also:

  • die numerische Strömungssimulation von rotierenden Verdrängerpumpen mit Vorhersage von Kavitation (z.B. Drehkolbenpumpen, Zahnradpumpen, Schraubenspindelpumpen),
  • die numerische Berechnung der Strömungs- und Temperaturverhältnisse in Verdrängerpumpen für Medien mit rheologisch komplexen Materialeigenschaften (z.B. Zahnradpumpen in der Kunststoffverarbeitung),
  • die numerische Berechnung der Strömungs- und Temperaturverhältnisse in Rotationsverdrängermaschinen für kompressible Medien (z.B. Schraubenkompressoren trockenlaufend) oder
  • die CFD-Simulation von rotierenden Verdrängermaschinen auch für Anwendungen mit Mehrphasenströmungen (z.B. Schraubenkompressoren öleingespritzt).

Mit TwinMesh und ANSYS CFD steht für Entwicklungsingenieure ein verlässliches Analyse- und Entwicklungswerkzeug für die Auslegung und Optimierung von Rotationsverdrängermaschinen zur Verfügung. Die Simulation liefert wichtige Informationen u.a. zu

  • Geschwindigkeit, Druck, Temperatur in beliebigen Bereichen des Arbeitsraumes der Maschine,
  • Förderleistung, Massenstrom, Pulsation und Wirkungsgrad der Maschine,
  • auftretende Momente und Kräfte,
  • Lage und Stärke von Schallquellen (Geräuschemission),
  • Ort und Stärke von Erosionsschäden durch Partikel oder Kavitation.
Bild: Rechengitter für die Simulation einer Drehkolbenpumpe
Videovorschau: Rechengitter und Ergebnisse für die transiente 3D-Simulation einer Drehkolbenpumpe
Video: CFD result visualization of an internal gear pump
CFX Berlin-Video: Simulationsergebnisse für eine Innenzahnradpumpe
Videovorschau: Beispiel für die Darstellung von Druckaufbau und Pulsation in einem Schraubenverdichter
Bild: Videovorschau Gear Pump Filling Multiphase CFD Simulation
Video: Visualisierung des Ansaugprozesses einer Zahnradpumpe mittels Mehrphasensimulation

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