Strömungsmechanik in Kreisel- und Verdrängerpumpen, hydraulischen Komponenten und Systemen

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Der Einsatz von rechnergestützten Methoden (z.B. CFD) zum Entwurf und zur Optimierung der Maschinen ist bereits Standard. Die Entwicklung von Pumpen und ihren Komponenten ist bereits auf einem sehr hohen Stand, insbesondere für den Betrieb im Auslegungspunkt. Jedoch gibt es spezielle Maschinentypen und Betriebssituationen, in denen noch erheblicher Entwicklungs- und Optimierungsbedarf besteht. Z.B. für radiale Kreiselpumpen mit niedriger spezifischer Drehzahl arbeiten die verfügbaren CFD-Methoden noch unzuverlässig. Für den Betrieb fernab des Auslegungspunktes oder nahe der Kavitationsgrenze sind ebenfalls keine genauen Rechenverfahren verfügbar. Weiterhin kann es besonders in diesen Betriebszuständen durch reflektierte und u.U. verstärkte Druckwellen zu erheblichen Interaktionen mit der Anlage kommen. Die numerische Simulation der Strömung in Verdrängerpumpen ist aufgrund der komplexen Kinematik im Gegensatz zu Kreiselpumpen noch kein breit etabliertes Werkzeug.

Ausreichend genaue und funktionale Simulationsverfahren sind für die o.a. Anwendungen nicht verfügbar. Am HSM werden daher Strömungssimulationsverfahren für spezielle Pumpenarten und Betriebszustände entwickelt, validiert und zur Beantwortung spezieller Forschungsfragen angewendet. Für kavitierende Strömungen kommen kompressible CFD-Verfahren zum Einsatz, mit denen auch der Ort des Auftretens von Kavitationserosion prognostiziert werden kann. Zur Berechnung von Verdrängerpumpen wird der komplexen Kinematik durch spezielle Netzgenerierungs- und Verformungsalgorithmen sowie durch die Fluid-Struktur-Interaktion Rechnung getragen. Die Berechnung der Anlage erfolgt i.d.R. aus Rechenzeitgründen mit 1D-Verfahren, die durch geeignete Algorithmen an die 3D-Simulation der Pumpe angeknüpft werden. In aller Regel wird dabei auf Eigenentwicklungen und offene Codes (hydRUB, solver3D sowie OpenFoam) zurückgegriffen, die eine einfache Modell- und Funktionalitätserweiterung zulassen.


Laufende Projekte

Echtzeitfähige digitale Zwillinge von Kreiselpumpen.

  • Finanzierung: AIF-IGF.
  • Partner:
    • VDMA Fachverband Pumpen und Systeme,
    • RUB, Lst. f. Regelungstechnik und Systemtheorie (Prof. Mönnigmann).
  • Ansprechpartner: Romuald Skoda

Erhöhung der Energieeffizienz von 1- und 2-Schaufelpumpen: 1aPump.

Einsatz von Schraubenspindelpumpen im Motorbetrieb als rekuperative Regelventile zur Energierückgewinnung in fluiddynamischen Prozessen: RekuVent.

Numerische Simulation von Druckstößen und Schwingungen in Pumpensystemen.

  • Finanzierung: AIF-IGF.
  • Partner:
    • FA-Univ. Erlangen-Nürnberg, Lst. f. Prozessmaschinen und Anlagentechnik (Prof. Schlücker),
    • VDMA Fachverband Pumpen und Systeme.
  • Ansprechpartner: Pascal Munsch

 

Abgeschlossene Projekte

Integrated Design System zur Auslegung, Nachrechnung und Optimierung von Kreiselpumpen beliebiger spezifischer Drehzahl.

  • Finanzierung: VDMA Forschungsfonds Pumpen.
  • Partner:
    • TU München, Lst. f. Fluidmechanik (Prof. Schilling),
    • VDMA Fachverband Pumpen und Systeme.
  • Ansprechpartner: Romuald Skoda

Kompressible 3D/1D Strömungssimulationsmethode zur Kopplung von hydraulischer Maschine und ihrer Anlage.

  • Finanzierung: Mercator Research Center Ruhr (MERCUR).
  • Partner: TU Dortmund, Fachgebiet Fluidtechnik (Prof. Brümmer).
  • Ansprechpartner: Pascal Munsch

3D Simulation der kompressiblen kavitierenden Strömung in oszillierenden Verdrängerpumpen.

  • Finanzierung: VDMA Forschungsfonds Pumpen.
  • Partner:
    • TU München, Lst. f. Fluidmechanik (Prof. Schilling),
    • VDMA Fachverband Pumpen und Systeme.
  •  Ansprechpartner: Pascal Munsch

3D-CFD-Code zur Vorhersage von Kavitation und der Haltedruckhöhe (NPSH) in Kreiselpumpen.

 



Statischer Druck als Ergebnis einer Kreiselpumpenströmungssimulation




Ausbreitung einer Druckwelle – 3D- Simulation vs. Gekoppelte 3D-1D Simulation



Wolkenkavitation an der Spiralzunge.