Experimentelle und numerische Untersuchungen der Schallentstehung in Pumpen und der Abstrahlung von Flüssigkeits- und Luftschall

Thema kurz: "Schallentstehung in Pumpen"
IGF-Nr.: 19724 BG
Laufzeit: 01.01.2018 - 31.05.2020
Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Maschinenbau e.V., Lyoner Str. 18, 60528 Frankfurt
Forschungsstelle(n)

Forschungsstelle 1:

Universität Rostock
Fakultät für Maschinenbau und Schiffstechnik
Lehrstuhl Strömungsmaschinen (ITU)

Forschungsstelle 2:

Technische Universität Hamburg
Institut für Modellierung und Berechnung (IMB)

Kurzversion des Abschlussberichtes.
Der vollständige Abschlussbericht des Vorhabens kann über das Forschungskuratorium Maschinenbau (FKM) e. V. bezogen werden (Postanschrift: Lyoner Str. 18, 60528 Frankfurt am Main, E-Mail: infofkm-netde, Tel.: +49 69 6603 1681).


Numerische und experimentelle Bestimmung der Rauheitskennwerte technischer Oberflächen

Thema kurz: "Hydraulische Rauheitskennwerte von Pumpenoberflächen"
IGF-Nr.: 19024 BR/1
Laufzeit: 01.01.2017 - 31.05.2020
Forschungsstelle(n)

Forschungsstelle 1:

Universität Rostock
Fakultät für Maschinenbau und Schiffstechnik
Lehrstuhl Strömungsmaschinen (ITU)

Projektbeschreibung

Pumpen werden in vielen Anwendungsgebieten, wie z.B. in der Industrie, in der Gebäudetechnik und für die Wasser- oder Abwasserversorgung eingesetzt. Pumpen verursachen einen erheblichen Teil des Gesamtenergieverbrauchs in Europa. Deshalb sind Maßnahmen zur Wirkungsgradsteigerung ein wichtiges Anliegen. Die Wirkungsgradoptimierung kann experimentell mit Nutzung von Prototypen oder numerisch erfolgen. Die numerische Optimierung ermöglicht die deutlich effizientere Durchführung von Parameterstudien und führt in der Regel schneller zu einem Optimierungsergebnis als experimentelle Analysen. Die Voraussetzung für den Einsatz numerischer Verfahren ist, dass die dabei verwendeten Modelle die Realität in ausreichendem Maße abbilden.

Für die numerische Optimierung werden meist Verfahren eingesetzt, die auf der Lösung der reynoldsgemittelten Navier-Stokes-Gleichungen basieren. Die Auswirkungen der Turbulenz werden dabei auf statistischem Weg mit Hilfe von Turbulenzmodellen näherungsweise beschrieben. Für kleine spezifische Drehzahlen (in der Größenordnung von 8 – 20 U/Min) ergeben sich aus physikalischen Gründen vergleichsweise lange und schmale Kanäle im Laufrad. Bei der Simulation solcher Pumpen ergeben sich deutliche Differenzen zwischen Simulation und Experiment. Die wesentlichen Gründe für die deutlichen Abweichungen zwischen Simulation und Experiment sind die unzureichende Modellierung von Rauheitseffekten mit den gegenwärtig üblichen Methoden und teilweise die schlechte Abbildung von Ablösungen. Die realitätsnahere Modellierung von Strömungsablösungen kann durch die Verwendung spezieller Turbulenzmodelle erreicht werden. Die Berücksichtigung von Rauheitseffekten stellt  jedoch eine besondere Herausforderung dar. Üblicherweise wird für die Berücksichtigung von Rauheitseffekten die äquivalente Sandrauheit verwendet. Die Bestimmung der äquivalenten Sandrauheit ist aufwendig und kann für vergleichbare technische Oberflächen zu sehr unterschiedlichen Ergebnissen führen.

Die Bestimmung der äquivalenten Sandrauheit soll mittels einer Methode erfolgen, die die Wirkung von Rauheitselementen phänomenologisch modelliert. Hierfür wird ein numerisches Modell erarbeitet, welches die Simulation von Strömungen in einem ebenen Kanal mit glatten und mit rauen Wänden ermöglicht. Aus den Simulationsergebnissen kann im Rahmen des post processings die äquivalente Sandrauheit bestimmt werden. Die Ist-Oberflächentopologie muss zur Verfügung gestellt werden. Die präzise Erfassung der jeweiligen Oberflächenstruktur erfolgt mit optischen Methoden. Die numerischen Arbeiten werden von experimentellen begleitet. Die experimentellen Ergebnisse dienen zur Validierung der erforschten numerischen Modelle.