Hersteller von Heiz- und Kühlgeräten nutzt Simcenter STAR-CCM+, um Zeit und Kosten zu sparen, indem er im Handumdrehen mehrere Pumpenkonstruktionen simuliert

Virtualisierung

Als verkannte Helden leisten Pumpen in vielen Bereichen unseres Lebens unverzichtbare Dienste. Sie sorgen dafür, dass Wasser- und Abwassersysteme, Lüftungsanlagen, Kühlsysteme in Kraftwerken und zahlreiche weitere Anwendungen zuverlässig funktionieren.

Pumpenkonstrukteure stehen vor zahlreichen Herausforderungen, wenn sie neue und bessere Produkte entwickeln wollen. Pumpen müssen unter einer Reihe von Bedingungen gut funktionieren, die behördlichen Effizienzvorgaben erfüllen und über eine lange Lebensdauer mit minimalen Ausfallzeiten für Reparaturen zuverlässig laufen.

Traditionelle Konstruktionsmethoden haben sich stark auf das Testen physischer Prototypen gestützt. Dies kann sich als kostspielig und zeitintensiv erweisen, da jedes neue Produkt mehrere Zyklen von Konstruktion, Überarbeitung und Tests durchlaufen muss. Die Erstellung eines virtuellen Prototyps ermöglicht die schnelle Untersuchung mehrerer Pumpenkonstruktionen über eine Reihe möglicher Betriebsbedingungen, was nicht nur den Konstruktionsprozess beschleunigt, sondern auch die mit physischen Tests verbundenen Kosten senkt. Taco Comfort Solutions (Taco) nutzt diesen Ansatz, um bessere Pumpen schneller auf den Markt zu bringen.

Konstruktion und Simulation

Taco verwendet die Simcenter STAR-CCM+®-Software als virtuelles Labor, bevor physische Prototypen erstellt und getestet werden. Produktkonstrukteur Peter Vandal leitet bei Taco die Berechnungen der numerischen Strömungsmechanik (CFD) Nach dem Import der Geometrie aus SolidWorks erfolgen sämtliche Vernetzungs-, Simulations- und Analyseschritte in Simcenter STAR-CCM+, wie in Abbildung 2 zu sehen. Für jede Pumpenkonstruktion liefert die CFD-Simulation eine vollständige, dreidimensionale Darstellung des Durchflusses und der Druckverhältnisse im Pumpengehäuse.

„Wir können Messungen an jedem Punkt des Modells vornehmen, z. B. mit virtuellen Sonden“, erklärt Vandal. „Beispielsweise können wir die Werte für den statischen Druck oder den Gesamtdruck an den gleichen Stellen wie die Sonden herausziehen, die in den Labortests verwendet wurden, sodass wir die Ergebnisse des Simcenter STAR-CCM+ direkt mit der realen Anwendung vergleichen können.“

Diese Validierung des CFD-Modells verschafft dem Team nicht nur ein hohes Maß an Vertrauen in die CFD-Ergebnisse, sondern auch eine prädiktive Erkenntnis zu Leistungsmerkmalen wie Förderhöhe, Wirkungsgrad und BEP-Durchflussrate. Sobald Vandal und sein Team drei bis vier Konstruktionen mit zufriedenstellender Performance in Simcenter STAR-CCM+ entwickelt haben, gehen sie zum Aufbau und Test ihrer physischen Prototypen über. Auch mit der Möglichkeit des schnellen Prototypings (per 3D-Druck) der Stereolithografie-Laufräder (SLA) belaufen sich die Kosten für Bau und Test eines einzelnen Laufrads auf bis zu 2.500 US-Dollar. Die Untersuchung zahlreicher digitaler Prototypen in Simcenter STAR-CCM+ ermöglicht erhebliche Kosten- und Zeiteinsparungen, sodass eine hohe Erfolgswahrscheinlichkeit bereits in einer einzigen Prototypenphase erreicht und der Entwicklungszeitraum minimiert werden können.

Abbildung 1: Beispiel für eine Umwälzpumpe von Taco Comfort Solutions

Simulation der kompletten Pumpenkurve

Vandal und sein Team führen stationäre Simulationen für jede Konstruktion durch, wobei sie mehrere Durchflusspunkte testen, um die BEP-Durchflussrate zu bestimmen. Im Idealfall würden Pumpen stets nahe am BEP arbeiten, dies ist jedoch in der Praxis nicht immer möglich. Um Betriebsprobleme zu vermeiden und Kundenanforderungen gerecht zu werden, muss die Strömung außerhalb der Konstruktionspunkte analysiert werden, damit die Pumpe über die gesamte Betriebskurve zuverlässig arbeitet. Vandal beschreibt drei verschiedene Abschnitte: Auf der linken Seite der Pumpenkurve kann ein zu starker Abfall auftreten, was nicht zulässig ist. Der optimale Wirkungsgradpunkt (BEP) liegt zentral, wobei rechts die Betriebsbedingungen bei hohen Fördermengen zu untersuchen sind.“

Taco führt instationäre Simulationen in Simcenter STAR-CCM+ durch, um die gesamte Pumpenkurve zu untersuchen.

„Wir initialisieren das CFD-Modell mit einer stationären Berechnung bei optimaler Durchflussrate und ändern dann die Randbedingungen, sodass sich die Strömung in Richtung der extremen Durchflussrate ändert“, sagt Vandal.

Er nannte ein Beispiel für einen Fall, der auf der linken Seite der Leistungskurve eine leistungsschwache Konstruktion zeigte (Abbildung 3): „Wird die Pumpe außerhalb ihrer Konstruktionsauslegung betrieben, kann es zu erheblichen Durchflussschwankungen kommen (Abbildung 4). Wenn der Druckabfall auf der linken Seite der Pumpenkennlinie zu stark ist, kann es zu Problemen beim Betrieb einer parallelen Pumpenanordnung kommen. Mithilfe von Simcenter STAR-CCM+ konnte ich eine instationäre Simulation bei 10 und 50 Prozent der BEP-Durchflussrate (in Gallonen pro Minute) durchführen, um den Druckabfall zwischen maximalem Förderpunkt (50 Prozent) und Abschaltförderhöhe (10 Prozent) zu quantifizieren. Ich habe die gleiche Methode verwendet, um alternative Konstruktionen zu simulieren, bevor wir die SLA-Laufräder für Labortests gebaut haben. Die Konstruktionen, die für den Test vorgeschlagen wurden, waren diejenigen, die nicht nur bei BEP, sondern auch bei niedriger Durchflussrate gute Ergebnisse zeigten, mit einem geringeren Druckabfall auf der linken Seite der Leistungskurve.“

Taco ist überzeugt davon, dass seine Pumpenkonstruktionen noch robuster werden und selbst außerhalb der Auslegungsparameter höchste Effizienz und Zuverlässigkeit gewährleisten können.

Abbildung 3: Beispiel einer Leistungskurve für zwei Testszenarien Gestrichelte Linien zeigen die Ergebnisse von Simcenter STAR-CCM+, durchgezogene Linien zeigen die Ergebnisse von Labortests. Fall A wies einen starken Druckabfall (ΔA) zwischen 50 Prozent BEP (maximale Förderhöhe) und 10 Prozent BEP auf. Durch die Neukonstruktion des Laufrads (Gehäuse B) wurde dieser Druckabfall (ΔB) verringert.

Abbildung 2: Nach der Konstruktion des Pumpenmodells in CAD-Software wird dieses in Simcenter STAR-CCM+ importiert (Schritt 1), vernetzt (Schritt 2) und anschließend simuliert (Schritt 3).

Optimieren von Workflows

Der Einsatz von Simcenter STAR-CCM+ für virtuelle Tests hat den Konstruktions-Workflow von Taco beschleunigt und die mit physischen Tests verbundenen Kosten gesenkt.

„Wenn ich ein paar Jahre an die ersten Pumpen zurückdenke, an denen ich gearbeitet habe, bestellten wir Teile für die Prüfung, sie waren schlecht und wir mussten den gesamten Konstruktions-, Bestell- und Testprozess neu durchführen“, sagt Vandal. Durch den Einsatz von Simcenter STAR-CCM+ können wir auf den iterativen ,Neustart‘ verzichten und den gesamten Konstruktionszyklus beschleunigen.

Zu Beginn unserer Arbeit mit Simcenter STAR-CCM+ fehlten uns ausreichende Labordaten zum Abgleich mit den CFD-Ergebnissen, weshalb die optimalen Modelleinstellungen für Parameter wie Rauheit oder Leckströme noch unklar waren. Wir verfügen jetzt über eine Bibliothek mit Labortestdaten, die die Simcenter STAR-CCM+-Ergebnisse validieren, und kennen die besten Modelleinstellungen, die wir verwenden können, um genaue Ergebnisse zu erhalten.“

Doch Taco ist entschlossen, seinen Konstruktionsprozess noch weiter zu optimieren. „Wir sind immer auf der Suche nach Möglichkeiten, die Software schneller zu nutzen“, kommentiert Vandal. „Sobald wir mehrere Stunden an etwas arbeiten, stellen wir uns die Frage: ,Wie lässt sich das in 50 Minuten erledigen?‘ Wir wollen intelligenter mit der Software arbeiten, nicht härter.“

Vandal und sein Team arbeiteten Hand in Hand mit ihrem Siemens Dedicated Support Konstrukteur (DSE), um die Simulationen zu optimieren.

„Es ist toll, bei Siemens einen festen Ansprechpartner zu haben, der unsere Prozesse kennt und gemeinsam mit uns Lösungen sucht“, erklärt Vandal. Taco entwickelte gemeinsam mit seinem DSE einen schnellen Prüfprozess für mehrere Konstruktionen unter Einsatz der Teileaustausch-Funktion von Simcenter STAR-CCM+. Sobald das Modell in Simcenter STAR-CCM+ aufgesetzt und ausgeführt wurde, ermöglicht der Teiletausch in Vandal den gezielten Austausch von Laufrad oder Spirale durch eine alternative Konstruktion, während CFD-Modelleinstellungen und Randbedingungen unverändert bleiben, wie in Abbildung 5 zu sehen. Simcenter STAR-CCM+ führt daraufhin eine schnelle Netzregenerierung durch und berechnet die Lösung neu.

„In SolidWorks nutzen wir eine standardisierte Namenskonvention. Wenn ich also ein Bauteil im Simcenter STAR-CCM+-Modell ändern möchte, klicke ich einfach auf ,Teil ersetzen‘ und starte eine neue Simulation“, erläutert Vandal. „Diese Arbeitsweise kommt uns sehr entgegen, da wir mehrere Fälle nacheinander mit identischen Netz- und Simulationseinstellungen testen können. Dies ermöglicht nicht nur die schnelle Durchführung mehrerer Simulationen, sondern gibt uns auch die Gewissheit, dass die Ergebnisse konsistent und wiederholbar sind.“

Taco hat Java-Makros entwickelt, die den Mesh-and-Run-Prozess automatisieren und damit eine automatische Generierung von Pumpenkurven ermöglichen. Automatisierte Prozesse wie dieser helfen Taco, auf sein Ziel hinzuarbeiten, die aktuelle Zeit im Konstruktionsprozess zu halbieren.

Mit Blick auf die Zukunft will Taco die Erfahrungswerte der vergangenen zwei Jahre als Basis für die weitere Entwicklung nutzen. Greg Case, Chief Technology Officer (CTO), sagt: „Wir verlassen uns auf unseren strategischen Einsatz von CFD-Simulationen, um unsere Konkurrenz mit leistungsstärkeren Pumpen auf dem Markt zu schlagen und den Marktanteil zu erhöhen.“

„Der entscheidende Vorteil von Simcenter STAR-CCM+“, so Vandal, „ist die Beschleunigung unseres iterativen Konstruktionsprozesses in einer äußerst konkurrenzstarken Branche. Wenn wir in Laborprüfungen oder Werkzeugteile investieren, muss eine hohe Erfolgswahrscheinlichkeit gewährleistet sein. Simcenter STAR-CCM+ gibt uns das Vertrauen, dass dies der Fall ist. Im Wesentlichen wollen wir die Rückkopplungsschleife zwischen Labortests und der Konstruktionsphase eliminieren, damit jede Pumpenkonstruktion so wenig Labortests wie möglich hat.

„Wir wollen digital erforschen und physisch bestätigen und nicht umgekehrt. Mit Blick auf unsere umfangreiche Bibliothek von SLA-Labortestdaten für SLA- und Metallteile sowie unser großes Vertrauen in die bisher erzeugten Simcenter STAR-CCM+-Daten streben wir eine Zukunft an, in der wir direkt von der Simcenter STAR-CCM+-Simulation zu Metalllaufradtests übergehen können, ohne SLA-Tests durchführen zu müssen. Es birgt zwar gewisse Risiken, aber ich bin überzeugt, dass es machbar ist und uns Zeit sowie Kosten einspart, wodurch wir neue, effizientere und zuverlässigere Pumpen schneller auf den Markt bringen können.

Abbildung 5: Das Austauschen von Komponenten ermöglicht rasche Modifikationen am Laufrad bei gleichbleibender Gesamtgeometrie. Die Ergebnisse lassen sich einfach vergleichen, da sämtliche Netz- und Physik-Parameter identisch sind.

Abbildung 5: Das Austauschen von Komponenten ermöglicht rasche Modifikationen am Laufrad bei gleichbleibender Gesamtgeometrie. Die Ergebnisse lassen sich einfach vergleichen, da sämtliche Netz- und Physik-Parameter identisch sind.

Abbildung 4: Wird die Pumpe bei Durchflussraten betrieben, die stark von der Konstruktion abweichen (erstens), wird die Strömung in der Pumpe deutlich instabil, wobei verglichen mit der Strömung am BEP (zweitens) erheblich mehr Rezirkulation zu beobachten ist.