Fachbeitrag von
Sebastian Paschakarnis, M.Sc. und Dr.-Ing. Marius Dörner
Da auf dem Kreiselpumpen-Markt eine starke Konkurrenz herrscht, sind Hersteller stetig gezwungen Produkte zu verbessern und weiterzuentwickeln. Um zu verifizieren ob die Veränderungen wirklich den Betrieb optimieren, müssen Untersuchungen an Pumpenprüfständen durchgeführt werden. Diese sind mit hohen Zeitaufwänden und Kosten verbunden. Um den Aufwand durch die empirischen Untersuchungen zu reduzieren, werden zusätzlich Simulationen durchgeführt. Diese sind jedoch in der Praxis häufig ebenfalls mit hohen Kosten für Software, Hardware und Fachpersonal sowie einem hohen Zeitaufwand verbunden. Diese Herausforderung löst StrömungsRaum® von Ianus Simulation GmbH in Dortmund.
Ianus bietet mit StrömungsRaum eine Ergänzung zu dem Prüfstand und gängigen Simulationstools. StrömungsRaum ist cloudbasiert, wodurch zur Bedienung lediglich ein internetfähiges Gerät benötigt wird und auf die Anschaffung von teurer Hardware verzichtet werden kann. Die Berechnungen werden auf Hochleistungsclustern in Europa durchgeführt. So können exzellente technische Kapazitäten mit einer hohen Datensicherheit kombiniert werden. Das Interface ist dabei bewusst simpel gestaltet. Mit einer geringen Anzahl von Eingabeparameter kann die Plattform somit ohne Simulationsexpertise bedient werden. Durch die hohe Rechenleistung und die simple Bedienung, können Simulationszeiten deutlich reduziert werden. Simulationen können daher durchgeführt werden, sobald Sie benötigt werden und nicht erst, sobald Rechen- und Personalkapazitäten wieder verfügbar sind.
Kreiselpumpen StrömungsRaum
StrömungsRaum für Kreiselpumpen ermöglicht sowohl stationäre als auch transiente Simulationen, vollautomatisiert in der Cloud. So kann die benötigte Simulationstiefe für jeden Fall gewählt werden, egal ob erste Erkenntnisse über Wirkungsgrad und Förderhöhe, oder tiefgehende Analysen bezüglich Kavitation benötigt werden. Als Input werden lediglich die CAD-Geometrien der Laufräder und Volute benötigt.
Die geometrieadaptive Vernetzung, die selbständig kritische Bereiche wie Zunge oder Blades erkennt, das Aufprägen der Randbedingungen, die Berechnung der Simulationen und deren Auswertung – all das passiert vollautomatisch und entlastet somit die Ressourcen der Mitarbeitenden.
Es gibt die zudem Möglichkeit Laufradgeometrien sowie Drehzahl, Temperatur und Förderstrom zu Batchen. Durch die Kombination verschiedener Geometrien und Prozessparameter, können mit wenigen Klicks ganz Simulationskampagnen gestartet werden. Durch ein innovatives Userinterface resultiert die sehr simple Bedienung des Tools. Mitarbeiter ohne Simulationskenntnisse können so Simulationen durchführen und so die Fachkräfte entlasten. Durch die Simplizität kann allerdings auch ein Vertriebsmitarbeiter eine Simulation für einen potenziellen Kunden starten, und somit die Simulation auch abseits der Auslegung und Optimierung gewinnbringend einsetzen.
Um den Prozess möglichst detailgenau abzubilden, können beliebige Medien simuliert werden. Dazu gibt es in StrömungsRaum eine Datenbank mit einer Vorauswahl an Medien, die flexibel durch den Nutzer erweitert werden kann. Im Kern ergeben sich für den Anwender dadurch folgende Vorteile:
- Innovatives User Interface explizit einfach, um Simulation für jeden zu ermöglichen
- Vollautomatisch Preprocessing, Meshing, Solving, Postprocessing vollautomatisiert
- Transiente und stationäre Simulation je nach gewünschter Detailtiefe
- Kavitation und NPSH Betrachtung Effizienzverluste und schlimmstenfalls Schäden erkennen
- Automatische Kennlinienberechnung BEP („Best efficiency point“) identifizieren, Pumpen vergleichen.
- Medienkonfiguration kundenspezifische Fluide gezielt untersuchen
- Batchsimulationen ganze Baureihen bequem mit wenigen Klicks simulieren
Technologiepartner
Um moderne und leistungsfähige Technologien gezielt einsetzen zu können, arbeitet Ianus bewusst mit ausgewählten Technologiepartnern zusammen und integriert bewährte Lösungen in die eigene Simulationsumgebung.
CFD Support ist ein spezialisiertes Hightech-Unternehmen für Turbomaschinensimulation mit Fokus auf CFD, FEA und FSI: modern, präzise und industriell erprobt. Mit TCAE bietet CFD Support eine leistungsstarke, cloudbasierte End-to-End-Simulationslösung auf Open-Source-Basis (u. a. OpenFOAM) entwickelt aus über 30 Personenjahren Expertise. Diese wird in StrömungsRaum als Simulationskern für Strömungsmaschinen eingesetzt.
CF Mesh+, entwickelt von Creative Fields, ist eine Software zur automatisierten Netzgenerierung für CFD-Anwendungen mit benutzerfreundlicher Oberfläche. Sie ermöglicht die Erstellung hochqualitativer Rechennetze auch für komplexe Geometrien. Da die Netzqualität einen wesentlichen Einfluss auf die Aussagekraft von CFD-Simulationen hat, bietet CF Mesh+ einen klaren Mehrwert. In Kombination mit der Automatisierung durch StrömungsRaum lassen sich sehr hochwertige Netze in kurzer Zeit erzeugen (~20 Millionen Zellen in ca. 20 Minuten).
Upstream CFD steht für tiefgreifende CFD- und CAA-Expertise, fortschrittliche Methodenentwicklung und HPC-Kompetenz, mit klarem Fokus auf OpenFOAM und aktives Open-Source-Engagement. Die Software MeanCalc ermöglicht eine statistische Bewertung der Konvergenz von Simulationen und erlaubt damit eine gezielte Optimierung der Rechenlaufzeit. Simulationen werden automatisch beendet, sobald eine statistisch belastbare Konvergenz erreicht ist.
Reporting
Das Reporting bei Ianus ist ebenfalls an verschiedene Anwendungsfälle angepasst. Es werden detaillierte Berichte zu den einzelnen Betriebspunkten erstellt. In diesen Berichten werden Feldgrößen wie Druck und Geschwindigkeit dargestellt. Bei transienter Betrachtung kann zusätzlich die Dampfentwicklung über die Zeit betrachtet werden. Ergänzend werden die Betriebspunkte zu Kennlinien bezogen auf die Förderhöhe, den hydraulischen und volumetrischen Wirkungsgrad, die Leistung, das Drehmoment und die Kräfte in radiale und axiale Richtung zusammengefasst. Dadurch lässt sich der BEP („Best Efficiency Point“) leicht ermitteln. Die tiefgehenden Simulation Details werden in einem zusätzlichen Bericht zu Verfügung gestellt. Dort können Informationen über die Qualität der Vernetzung, sowie die Konvergenz der einzelnen Kennwerte eingesehen werden.
Zusätzlich zu dem ausführlichen Reporting dient die Management Summary als Zusammenfassung der Simulation. Diese zeigt die wichtigsten Simulationsergebnisse, inklusive ausgewählter Kennlinien und Feldgrößen im Auslegungspunkt auf einer Seite.
Validierung
Die folgenden Diagramme zeigen den direkten Abgleich von Ianus-Simulationen mit experimentell ermittelten Messdaten aus zwei realen Kreiselpumpenprojekten. Zu den experimentellen Daten wurde aufgrund nicht gesicherter Spaltmaße ein Fehlerindikator von ±5 % eingezeichnet. Die dargestellten Vergleiche basieren auf unabhängigen Versuchsreihen und dienen dazu, die Aussagekraft und Genauigkeit des Ianus StrömungsRaum transparent zu machen.
Im ersten Fall vergleichen wir die Förderhöhe aus Simulation und Experiment über dem betrachteten Betriebsbereich. Hier liefert die Simulation eine sehr gute Übereinstimmung zwischen simulierter und gemessener Förderhöhe. Insgesamt liegt die simulierte Kennlinie leicht unter der vermessenen Kennlinie, für welche die Spaltmaße nicht vollkommen sicher bekannt sind. Dennoch wird der Verlauf konstant sicher getroffen, die Einkerbung bei 60 m3/h im Experiment lässt auf einen Messfehler schließen. Insgesamt bestätigt der Vergleich die hohe Genauigkeit der Simulation über einen breiten Arbeitsbereich der Pumpe hinweg.
Ein weiterer realer Testfall zeigt den Vergleich des hydraulischen Wirkungsgrads aus Simulation und Experiment für verschiedene Betriebspunkte. Für alle Betriebspunkte liegt die Abweichung zwischen Simulation und Messung deutlich unterhalb von 5 %, was eine sehr gute Übereinstimmung zeigt. Lediglich im Überlastbereich tritt bei einem Betriebspunkt eine größere Abweichung auf. In diesem Bereich reagieren sowohl Wirkungsgrad als auch Messung besonders sensitiv auf kleine Änderungen der Betriebsbedingungen, sodass einzelne Abweichungen innerhalb der experimentellen Unsicherheiten liegen können. Insgesamt bestätigt der Vergleich die hohe Prognosequalität der Simulation auch für den hydraulischen Wirkungsgrad.
Zusammenfassung und Ausblick
Ianus ist überzeugt, dass Simulationen einen Mehrwert bieten – finanziell als auch technisch. Dies hat auch die Branche schon vor geraumer Zeit erkannt, denn Simulationen werden bereits häufig und regelmäßig zur Auslegung oder Absicherung eingesetzt. Dennoch führt die Komplexität in bisherigen Ansätzen der Simulation von Kreiselpumpen oft dazu, dass nur wenige kritische Projekte von Simulationen profitieren, da der Ressourceneinsatz von Mensch und Maschine für weitere Simulationen schlichtweg zu groß ausfällt. Genau hier setzt StrömungsRaum an – jeder soll zu jederzeit von überall seinen Vorteil aus Simulationen ziehen können und somit Unternehmensressourcen einsparen.
Vor diesem Hintergrund richtet Ianus den Blick in den kommenden Jahren gezielt auf die nächste Entwicklungsstufe der Kreiselpumpensimulation. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der Weiterentwicklung des Reportings hin zu klaren, nachvollziehbaren Handlungsempfehlungen, die aus den Simulationsergebnissen direkt ableitbar sind. Als höchste Form der Handlungsempfehlung wird eine automatisierte Optimierung der Geometrie angestrebt. Ziel ist es, Entwicklungsprozesse weiter zu strukturieren und zu beschleunigen sowie geometrische Verbesserungen frühzeitig sichtbar zu machen – ohne den Anspruch, den notwendigen experimentellen Abgleich vollständig zu ersetzen.
Inaus stellt auf der Pumps & Valves 2026 in Dortmund in Halle 7 Stand 7 538 aus
