Kleines Werkzeug, große Wirkung – Simulation on-demand

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Der automatisierte Entwurfsprozess im CADFEM PumpWizard optimiert systematisch das Design von Pumpenlaufrädern anhand vorgegebener Kriterien. Die Bedienung ist intuitiv, die Nutzung durch ein On-Demand-Modell sehr flexibel und kostengünstig.  

Autorin: Dr.-Ing. Barbara Neuhierl

Ob Heizungs-, Schmutzwasser- oder Industriepumpe, ob in Anlagen, Fahrzeugen oder Hausgeräten: Pumpen sind überall und entsprechend vielfältig sind die Anforderungen, die jedes Modell erfüllen muss. Eine echte Herausforderung für die Entwicklungsabteilungen der Hersteller, die durch eng gesteckte Zeitpläne nicht kleiner wird.

Als hilfreich hat sich der Einsatz numerischer Simulationsmethoden erwiesen. Sei es um mehr aus einer Pumpe herauszuholen, ihre Zuverlässigkeit zu steigern oder eine Idee schneller zur Marktreife zu bringen. Entsprechende Softwarepakete wie ANSYS Workbench ermöglichen dem Konstrukteur detaillierte Einblicke und Analysen des künftigen Produktes, die im Experiment niemals und schon gar nicht in dieser Schnelligkeit und Präzision möglich wären.

Ein gängiges Vorgehen ist, beim ersten Entwurf, z.B. von Schaufeln, Meridiangeometrien und Gehäusen, analytische Methoden, eigene Makros oder schlicht Erfahrungswissen heranzuziehen, um dann sehr schnell in die Validierung und Optimierung dieser Designs durch numerische Simulationsverfahren überzugehen. Diese leisten einen großen Beitrag, um veränderte Vorgaben, beispielsweise bezüglich des Wirkungsgrads (Ökodesign-Richtlinie) zügig zu erfüllen, oder wenn neue Kundenvorgaben in kürzester Zeit umgesetzt werden müssen.

Entwurf von Laufrädern im Webbrowser – eine attraktive Alternative auch für jeden Hersteller

Gerade in mittelständischen Unternehmen gilt Simulation als eine Technologie, die sich nur für „die Großen“ rentiert: Schließlich erfordert nicht nur die Anschaffung der notwendigen Software-Werkzeuge samt geeigneter Hardware Investitionen, sondern auch die Ausbildung der Mitarbeiter. Ein häufig genutzter Mittelweg ist, Simulationsaufgaben an Dienstleister zu übertragen. Die Nachteile: Man verzichtet auf Produktwissen und beschränkt sich auf Momentaufnahmen, anstatt systematisch und kreativ ein optimales Design zu ermitteln.

Das Web-Formular 1
Web-Formular 2

Hier setzt der CADFEM PumpWizard an: Die speziell für die Pumpenauslegung zugeschnittene Simulationslösung gibt es nicht als Lizenz zu kaufen, sondern sie wird dann abgerufen (und bezahlt), wenn sie tatsächlich gebraucht wird. Die Anwendung ist so intuitiv, so dass sie auch ohne Expertenwissen vom Entwickler direkt eingesetzt werden kann. Die Idee dahinter ist, schnell und ergebnisorientiert ein Laufraddesign mit hohem hydraulischen Wirkungsgrad zu ermitteln, Basierend auf den wesentlichen Auslegungsparametern wie Viskosität, Drehzahl, Förderhöhe und Volumenstrom (s. Bild Web-Formular 1 und 2) wird in einem automatisierten Ablauf eine optimale 3D-Geometrie des Laufrades erzeugt und die Kennlinie in einem wählbaren Arbeitsbereich ermittelt.

Wie wird der CADFEM PumpWizard genutzt? Die relevanten Eingaben werden online in ein Formular mit Transportverschlüsselung eingetragen; daraufhin werden die Kosten für das Erstellen des Designs, der Validierung und des Ergebnisberichts sofort angezeigt und die Bestellung kann unmittelbar danach ausgelöst werden.

Technischer Hintergrund ist eine Berechnung einer optimierten Schaufelgeometrie als Ergebnis einer vorgegebenen Druckbeaufschlagung der Schaufel (“Blade loading”) – diese Vorgehensweise nutzt „inverses Design“. Inverses Design erlaubt eine direkte Kontrolle der strömungsbeeinflussenden Parameter und steuert damit einen optimalen Strömungsverlauf. Eine Laufrad-Geometrie wird hier also definiert durch vorgegebene Strömungseigenschaften. Das Verfahren bietet – verglichen mit klassischen Auslegungsmethoden – einen größeren Parameterraum und ermöglicht so leistungsfähigere Entwürfe. Integrale Bestandteile des Entwurfsprozesses mit dem CADFEM PumpWizard sind Optimierungsläufe und eine 3D-Validierung.

Resultate

Generierte 3D-Geometrie des Laufrads

Als Ergebnis liegt das 3D-Modell als CAD-Datei vor; darüber hinaus zeigen verschiedene Diagramme die charakteristischen Eigenschaften. Tabellen fassen typische Kennwerte wie Leistungsaufnahme, Wirkungsgrad und Förderhöhe im Auslegungspunkt zusammen.

Der CADFEM PumpWizard bildet einen vollständigen Workflow für eine effiziente Auslegung und Berechnung von Radialrädern für Kreiselpumpen ab. Die Grundlage ist neben dem inversen Design für die Auslegung des Laufrades auch die etablierte Methode der 3D-Strömungssimulation. Beide erfolgen in einem standarisierten Prozess. Der große

Drücke im Strömungskanal

Vorteil ist ein schnell verfügbares Design mit hohem Wirkungsgrad und abgesicherten Eigenschaften. Zusätzlich steht ein direkt weiter verwendbares Simulationsmodell zur Verfügung, das für weitergehende Detailuntersuchungen verwendet werden kann z. B. für die Interaktion von Laufrad und Gehäuse, Mehrphasenströmungen und Feststoffe oder den Einfluss von Deformationen auf das Strömungsverhalten.

 

Abb. Ergebnisse in abgewickelten Schnitten (Umfang, Meridian)

Abb. Visualisierung der Kavitationsneigung

Industriebewährte Technologie ohne Vorkenntnisse nutzen

Der CADFEM PumpWizard basiert auf TurboDesignSuite von ADT sowie ANSYS CFX. Diese führenden Simulationslösungen ermöglicht einen durchgängigen Prozess, der alle erforderlichen Schritte – von der Vorauslegung über detaillierte Auslegung, Vernetzung und Berechnung bis hin zu Designiterationen und sogar systematischer Optimierung –  mit hoher Effizienz und Genauigkeit abdeckt. Die Integration und die Automatisierung dieser Arbeitsschritte im CADFEM PumpWizard vereint diese technisch führenden Technologien und macht sie über ein Webinterface „on Demand“- nutzbar. Aus den Ergebnissen lassen sich mit modernen Fertigungsmöglichkeiten – wie Rapid Manufacturing oder 3D-Druck – auch unkonventionelle und innovative Designs in kürzester Zeit realisieren.

Laufrad im 3D-Metalldruck hergestellt

Die Geschwindigkeit und Einfachheit, mit der ein neues Design für spezifische Anforderungen erzeugt und validiert wird, ermöglicht es, konstruktive Alternativen durchzuspielen und öffnet so die Tür zu stärker auf die Anwendung zugeschnittene Lösungen. So lassen sich individuelle Designs etwa im Hinblick auf verschiedene Abmessungen, Einsatzmöglichkeiten oder auch Fertigungsverfahren entwickeln. Die Möglichkeit der schnellen Reaktion und Interaktion kann sogar neue Geschäftsfelder eröffnen und dazu beitragen, die Kundenzufriedenheit zu steigern

Hier geht es zu weiteren Informationen über Strömungssimulation für Pumpen und den CADFEM PumpWizard

Und hier können Sie den PumpWizard ausprobieren!

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