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Einsatz von 3D Simulationsmethoden zur Steigerung des Wirkungsgrades von 1- und 2- schaufeligen Pumpen und zur energieeffizienten Förderung feststoffbeladener Fluide

Projektlaufzeit: 2017 - 2021
Fördergeber:
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)

Zur Förderung feststoffbeladener Fluide wie z.B. Abwässer oder Schlämme werden Pumpen mit nur wenigen (z.B. 1 oder 2) Schaufeln verwendet, um Verstopfungen der Pumpenhydrauliken zu vermeiden. Während die Aggregate mit Priorisierung auf höchste Verfügbarkeit im Betrieb ausgelegt werden, ist eine gleichzeitige Verbesserung ihrer Energieeffizienz mangels geeigneter Methoden aktuell noch nicht machbar. Daher sollen in diesem Projekt 3D CAE-Methoden für numerische Strömungs- und Schwingungsuntersuchungen auf Basis von OpenFOAM weiterentwickelt werden. Die Methoden werden experimentell validiert und für 1- und 2-Schaufelpumpen allgemein anwendbar gemacht. Die Ergebnisse dienen einem verbesserten Verständnis der Wirkzusammenhänge zwischen Pumpendesign, Betriebsverhalten und Verstopfungsneigung und eröffnen die Möglichkeit zur systematischen Erhöhung des Wirkungsgrades unter Berücksichtigung einer geringen Verstopfungsanfälligkeit.

In dem Vorhaben wird ein kombinierter numerisch-experimenteller Ansatz verfolgt. Ein entscheidender Schritt zur möglichst vollständigen Ausschöpfung des vermuteten Wirkungsgradpotentials in 1- und 2-Schaufelpumpen ist die Erhöhung der Treffsicherheit der verfügbaren CFD-Methoden. Ein großer Hebel wird aufgrund der starken zeitlichen Schwankungen der Strömungsgrößen in der Vorgabe realistischer transienter Randbedingungen für das numerische Modell vermutet. Diese werden in einem ersten Schritt aus zeitauflösenden Messungen der Druck- und ggf. Volumenstrompulsationen einer Versuchspumpe gewonnen. Im zweiten Schritt ist die gekoppelte Simulation der Pumpe mit der gesamten Anlage vorgesehen, wodurch Ein- und Ausströmränder im Modell wegfallen und damit auch die Notwendigkeit der Messung von Randbedingungen entfällt. Im Weiteren liegt das Augenmerk neben der Bewertung konventioneller statistischer Modelle auf der Erprobung skalenadaptiver Turbulenzmodelle.

Ansprechpartner: Romuald Skoda

<b>Abbildung 1:</b> Geometriemodelle eines 1- und 2-Schaufellaufrads
Lupe
Abbildung 1: Geometriemodelle eines 1- und 2-Schaufellaufrads
<b>Abbildung 2:</b> Transiente Strömung auf mittlerer Schaufelhöhe in einer 1-Schaufelpumpe
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Abbildung 2: Transiente Strömung auf mittlerer Schaufelhöhe in einer 1-Schaufelpumpe