Automatisierte Simulation als Schlüssel zur Optimierung von Kreiselpumpen

Autoren:

• Dr.-Ing. Marius Dörner, Experte für digitale Prozessentwicklung in der Kunststoff- und Verfahrenstechnik
• Dr.-Ing. Holger Marschall, Experte für innovative Simulationsmethoden und wissenschaftliches Rechnen

Die Entwicklung von Kreiselpumpen ist eine komplexe Ingenieursaufgabe, bei der zahlreiche Faktoren wie hydraulische Effizienz, Kavitationserkennung und mechanische Belastungen berücksichtigt werden müssen. Traditionelle Ansätze, die auf physikalischen Prototypentests basieren, stoßen hierbei zunehmend an ihre Grenzen. Sie sind zeitaufwendig, kostenintensiv und erfordern oft mehrere Iterationen, um eine optimale Pumpengeometrie zu erreichen. Mit dem steigenden Druck, Entwicklungszeiten zu verkürzen und dabei die positiven Eigenschaften der Hydraulik zu erhöhen, sind digitale Simulationsmethoden in der Pumpenentwicklung bereits lange im Fokus. Doch diese erfordern tiefes Fachwissen im Simulationsbereich, starke Rechenhardware und oftmals lange, serielle Rechenzeiten. Dieser Fachbeitrag beleuchtet die Vorteile von cloudbasierten, vollautomatisierten Simulationen für die Auslegung und Optimierung von Kreiselpumpen, wie sie bei der Ianus Simulation GmbH mit StrömungsRaum® umgesetzt werden, und zeigt, wie dadurch der Entwicklungsprozess in der Praxis entschlackt und stark beschleunigt wird.

Der Einsatz automatisierter Simulationen

Nun stellt sich die Frage, warum ein Hersteller von Kreiselpumpen von klassischen Simulationsmethodiken auch auf automatisierte Simulationen zurückgreifen sollte. Traditionelle, manuelle Simulationen erfordern nicht nur spezialisierte Kenntnisse in der CFD-Technologie, sondern sind auch zeitintensiv. Die Vorbereitung einer Simulation – von der Definition der Randbedingungen über die Erstellung eines Netzes bis hin zur Simulation – kann Tage bis Wochen in Anspruch nehmen. Auch die Auswertung der Ergebnisse ist oft komplex und erfordert tiefgehendes Fachwissen, um relevante Erkenntnisse zu gewinnen.
Die Automatisierung der Simulation bietet hier einen klaren Vorteil:

1. Zeitersparnis: Durch die Automatisierung von Preprocessing, Simulation und Postprocessing benötigt der Mitarbeiter lediglich 5min zum Starten einer gesamte Simulationsreihe.
2. Skalierbarkeit: Während manuelle Simulationen bei vielen Szenarien oder Parametervariationen schnell an ihre Grenzen stoßen, können automatisierte Systeme problemlos mehrere Designs, unterschiedliche Fördermedien und komplette Kennlinien parallel analysieren.
3. Reduzierung von Fehlerquellen: Manuelle Prozesse bergen ein erhöhtes Risiko für Benutzerfehler, sei es bei der Eingabe von Parametern oder der Interpretation von Ergebnissen. Automatisierte Workflows sorgen für eine gleichbleibende Qualität und Vergleichbarkeit der Ergebnisse, unabhängig von der Person, die die Simulation durchführt.
4. Zugänglichkeit: Automatisierte Lösungen erfordern kein tiefes Expertenwissen. Ingenieure ohne CFD-Hintergrund können präzise Simulationen durchführen und die Ergebnisse in klarer, verständlicher Form nutzen. Durch die Hochleistungscloud wird zudem lediglich ein Internetbrowser benötigt.

Im Vergleich zur manuellen Herangehensweise ermöglicht die Automatisierung somit nicht nur eine erhebliche Effizienzsteigerung, sondern auch eine deutliche Senkung der Entwicklungszeiten. Für Unternehmen bedeutet dies weniger Iterationen, schnellere Markteinführung neuer Produkte und eine höhere Flexibilität, um auf individuelle Kundenanforderungen einzugehen.

Genau diesen Ansatz verfolgt Ianus Simulation mit dem StrömungsRaum® für Kreiselpumpen. Die einzige Voraussetzung zum Durchführen von Simulationen der Kreiselpumpe ist der Zugang zu einem Browser. Via Webinterface werden verschiedenen Laufräder und Gehäuse hochgeladen, kombiniert und dank der Cloud-Technologie auf deutschen Hochleistungsclustern parallel simuliert. Somit ist es möglich, quasi über Nacht, mehrere Kennlinien für verschiedene Laufrad & Gehäusekombinationen für verschiedene Fördermedien zu erstellen.

Manfred Thamm, ehemaliger Leiter des Pumpenpool bei Bayer, nun Pumpenexperte bei der Ianus Simulation: „Die Erstellung von Kennlinien war früher eine mühsame Aufgabe, die viel Zeit und Erfahrung verlangte. Jetzt liefert die cloudbasierte Simulation diese Daten nicht nur schneller und präziser, sondern auch angepasst an unterschiedliche Medien, was sie besonders wertvoll für kundenspezifische Lösungen macht.“

Die technische Basis der Simulation bietet ein individueller Solver, der, insbesondere im Meshing, ein zentraler Punkt für die erfolgreiche und vor allem realitätsgetreue Simulation technische Neuerungen parat hält. So werden die Gitter formadaptiv auf die zugrundeliegende STEP-Datei generiert, unabhängig aus welchem Konstruktionsprogramm diese exportiert werden. In Kombination mit bewegten und dynamisch adaptiven Rechengittern führt dies zu einem hochgenauen Ansatz, der entsprechend auch in kritischen Bereichen, wie der Zunge oder an den Enden der Flügelblätter, die lokale Auflösung des Strömungsgeschehens sicherstellt. Die cloudbasierte Architektur ermöglicht somit eine nahtlose Integration in bestehende Entwicklungsprozesse.

Dr.-Ing. habil. Holger Marschall, Leiter der Codeentwicklung: „Unsere hybriden adaptiven Rechengitter bilden das Fundament für hochwertige Pumpensimulationen. Fortgeschrittene Modelle wie z.B. für Turbulenz bedürfen hochqualitativer Gitter und sind nur auf dieser Basis Garant für eine hohe Aussagesicherheit und Ergebnisgüte.“

Durch das automatisierte Reporting, welche Ergebnisse, wie Druckverteilung und Geschwindigkeitsfelder, Kavitationsrisiken und NPSH-Werte sowie Kennlinien zu Förderhöhe, Wirkungsgrad und Leistungsaufnahme beinhaltet, wird die notwendige Arbeitszeit des Mitarbeiters weiter reduziert, sodass die Simulationen keinen Zusatzaufwand bedeuten. Mit den so erzeugten zahlreichen Daten können Ingenieure bereits in frühen Entwicklungsphasen gezielt Optimierungsmaßnahmen einleiten, wodurch sowohl die Zahl der Iterationen als auch die Entwicklungszeit signifikant reduziert werden. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, alternative Designs und Szenarien durchzuspielen, ohne zusätzliche Hardware oder IT-Infrastrukturen zu benötigen.

Praktische Anwendungsbeispiele automatisierter Simulationen
In der Praxis hat sich gezeigt, dass das Prinzip automatisierter Simulationen bereits erfolgreich bei der Simulation von weiteren Pumpentypen (z.B. Verdrängersystemen) angewendet wurde, wodurch zeit- und personalintensive Labortätigkeiten reduziert und Potenziale zur Produktverbesserung und zur kundenspezifischen Optimierung aufgezeigt wurden – unter anderem in Zusammenarbeit mit der Firma Netzsch Pumpen & Systeme. Dieses YouTube Video gibt weitere Einblicke in diesen Anwendungsfall:

Möglichkeiten zur Vertiefung
Für Interessierte bietet das On-Demand Webinar „Effizienzsteigerung leicht gemacht: Die neue Ära der Kreiselpumpensimulation“ eine detaillierte Einführung in die Technologie. Hier werden Einblicke in die Nutzung und auch die Technik von StrömungsRaum für Kreiselpumpen vorgestellt.

Zudem wird die Lösung auf der Pumps & Valves 2025 am 19. und 20. Februar in Dortmund präsentiert, bevor diese Anfang Q2 offiziell released wird. Ianus finden Sie am 5-N03. Dort werden Live-Demos von Experten gezeigt.

Einen weiteren Beitrag dazu – aus dem Jahr 2023 – finden Sie hier auf Δ p online.

Fazit
Automatisierte Simulationslösungen bieten Herstellern von Kreiselpumpen einen entscheidenden Wettbewerbsvorteil. Sie ermöglichen nicht nur präzisere und schnellere Entwicklungsprozesse, sondern helfen auch, die steigenden Anforderungen an Effizienz und Zuverlässigkeit, für die Kreiselpumpe selbst als auch die Mitarbeitenden, zu erfüllen. Die Kombination aus intuitiver Bedienung, detaillierten Ergebnissen und cloudbasierter Flexibilität macht sie zu einem unverzichtbaren Werkzeug in der modernen Pumpenentwicklung.

Ianus Simulation

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