Lehrstuhl für Strömungsmechanik und Strömungsmaschinen (SAM)

IGF Nummer: 19382 N/1 (L270)

Validierung der Lattice-Boltzmann Methode zur Simulation der Strömung und Akustik in Radialventilatoren

 

Laufzeit: 01.03.2017 – 31.12.2019

Forschungsvereinigung: Forschungsvereinigung für Luft- und Trocknungstechnik e.V. - FLT

Forschungsstelle: Lehrstuhl für Strömungsmechanik und Strömungsmaschinen, TU Kaiserslautern

Leiter: Prof. Dr.-Ing. Martin Böhle

Bearbeiterin: Dipl.-Ing. Rebecca Schäfer

 

 

Kurzfassung:

Numerische Methoden sind weit verbreitete Werkzeuge für die Neu- und Weiterentwicklung von (Radial-) Ventilatoren. Insbesondere in Bezug auf aeroakustischer Fragestellungen stellt die Lattice-Boltzmann-Methode einen vielversprechenden Ansatz dar. Im Zuge des vorliegenden Projektes soll die Methode im Hinblick auf Möglichkeiten und Restriktionen im industriellen Sinne erprobt und bewertet werden.

 

 

Dazu wurde der kommerzielle Lattice-Boltzmann-Code PowerFLOW der Firma Dassault Systèmes (ehemals EXA) zur Simulation der Aerodynamik und Akustik eines Radialventilators genutzt. Hierbei wurden verschiedene Einbausituationen des Ventilators untersucht: ohne Spiralgehäuse, eingebaut in einem Spiralgehäuse mit Variation der Zungengeometrie und mit räumlich gestörter Zuströmung durch Einbau eines sogenannten Installationseffektes. Zur Validierung wurden strömungstechnische und akustische Messungen durchgeführt. Die Validierung erfolgte weitestgehend erfolgreich. Die integralen Kenngröße zeigen eine gute Übereinstimmung zwischen den Simulationen und Experimenten. Lediglich im starken Überlastbereich zeigen sich größere Abweichungen, die auf einen bestehenden Netzeinfluss zurückzuführen sind. Bemerkenswert ist die sehr gute Vorhersage des akustischen Schmalbandspektrums. Sowohl der Drehton als auch der Pegel des Breitbandanteils werden nahezu perfekt durch die Simulation wiedergegeben. Höhere Harmonische werden etwas zu niedrig vorhergesagt.

Im Vordergrund stand die Beantwortung der Frage, welche Möglichkeiten die Lattice-Boltzmann Methode (LBM) prinzipiell zur Simulation von Radialventilatoren bietet und welche Restriktionen und Anforderungen die Anwendung des Codes begrenzen. Darüber hinaus konnte anhand der Variation der Zungengeometrie gezeigt werden, dass prinzipiell eine Schallquellenlokalisierung mithilfe der Methode möglich ist. Zudem konnten erste Ergebnisse der Untersuchung der Schallentstehungsmechanismen gezeigt werden.

Um den Code im Anschluss an das Projekt unter Berücksichtigung der zur Verfügung stehenden Ressourcen mit vertretbarem numerischem Aufwand auch bei KMUs effizient nutzen zu können, wurde zudem eine „Best-Practice-Guidelines“ erarbeitet. Diese umfassen Empfehlungen bzgl. der erforderlichen zeitlichen und räumlichen Diskretisierung sowie bzgl. der vorzugebenden Randbedingungen und Solvereinstellungen.

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist erreicht worden.

Danksagungen:

Das IGF-Vorhaben 19382 N/1 (L270) der Forschungsvereinigung Luft- und Trocknungstechnik e.V. wurde über die AIF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Die numerischen Simulationen wurden auf dem Hochleistungscluster „Elwetritsch" durchgeführt, das Teil der Allianz des High Performance Computing Rheinland-Pfalz" (AHRP) ist. Für die Verwaltung und Support des Hochleistungsrechners „Elwetritsch" möchten wir uns beim Regionale Rechenzentrum der Universität Kaiserslautern (RHRK) bedanken. Darüber hinaus möchten wir der EXA Corp. für die Bereitstellung der PowerFlow-Lizenzen und dem Support danken.

Weitere Informationen sowie den Schlussbericht erhalten Sie über die Forschungsvereinigung für Luft- und Trocknungstechnik e.V. – FLT:

Forschungsvereinigung für Luft- und Trocknungstechnik e.V. – FLT

Lyoner Straße 18

60528 Frankfurt am Main

Tel.: +49 69 6603-1352

Email: info@flt-net.de

Homepage: www.flt-net.de

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