Dienstag, 23. Juni 2015

SOLIDWORKS Simulation bei OptoForm

Die Firma OptoForm aus Herzogenaurach verfügt über langjährige Entwicklungserfahrung. Das Leistungsspektrum umfasst die Konstruktion, Berechnung, Simulation und die Erstellung von Zeichnungen komplexer Baugruppen und Module.


Dr. Peter Giese machte sich 2004 nach jahrelanger erfolgreicher Tätigkeit in der Entwicklung für die Automobilzulieferindustrie mit seiner Firma OptoForm selbständig. Seit der Gründung setzt OptoForm auf die SOLIDWORKS Lösungen von MB CAD. „SOLIDWORKS SIMULATION und die Zusammenarbeit mit MB CAD, im Besonderen mit dem exzellenten MB CAD Support Team, sind für mich essenzielle Erfolgsbausteine.“, berichtet Herr Dr. Giese. „Gerne gebe ich einen Einblick über realisierte Projekte.“:


Für einen Kunden berechnete OptoForm die Strömungsvorgänge einer Jetpump. Jetpumps sind Strömungspumpen, in denen der Bernoulli Effekt zum Ansaugen und beschleunigtem Weitertransport eines Strömungsmediums benutz wird. Hierbei wird häufig die potentielle Energie eines sich entspannenden Gases ge­nutzt, um einen Strömungskreislauf ohne externe Energiezufuhr aufrecht zu erhalten. Eine zusätzliche Anforderung ist bei derartigen Berechnungen oftmals die Verwen­dung eines Gasgemisches aus zwei oder mehreren verschiedenen Gasen und das Auf­treten von hohen Überschallgeschwindigkeiten. Die Genauigkeit der CFD Ergebnisse zu Versuchsdaten ist sehr hoch. Die Abwei­chungen liegen in einem weiten Betriebsbereich der Jetpump im Bereich < 3%. Die daraus erlangte Kenntnis der Strömungsvorgänge hilf dabei, eine optimale Geometrie für den angedachten Verwendungszweck zu finden.


Das obere Bild zeit die Strömung mit geringem Massenstrom. Das Untere die Strömung mit hohem Massenstrom. Hier ist das Mischrohr vollständig ausgefüllt und die Strömung "zwängt" sich durch das zu enge Rohr, es kommt zu unerwünscht hohen Druckver­lusten. Die Überschallgeschwindigkeit der Zuführdüse wird über Stoßvorgänge auf Unter­schallniveau abgebaut. Dieses Verhalten ist auf beiden Bildern gut erkennbar.

Dass SOLIDWORKS Simulation die Überschallströmung auch quantitativ richtig mit den deutlich erkennbaren Stoßbereichen berechnet, zeigt das nächste Foto. Der Turbinenstrahl des Kampfjets gelangt über mehrfache Stoßvorgänge in den Unterschallbereich.


FEM Kontaktberechnungen eines swashplate Triebwerkes für einen Klimakompressor

Höherwertige Klimaanlagen in Kraftfahrzeugen haben Klimakompressoren mit veränderbarem Hub. Damit sind sie an die Kälteanforderung anpassbar und verschwenden die Energie nicht nutzlos wie die Kompressoren mit festem Hub. Die Kinematik eines solchen Verstelltriebwerkes ist kompliziert und bedarf der genauen Kenntnis der Kräfte und speziell der Kontaktkräfte in den hoch belasteten Kontaktstellen. Die optimierte Geometrie dieser lastübertragenden Kontaktstellen gewährleistet die Haltbarkeit des Kompressors über die Lebensdauer des Fahrzeugs.


Das linke Bild zeigt die Kontaktpressungen im Ausgangszustand. Auf dem Rechten sind die Kontaktpressungen nach der Optimierung zu sehen. Grau dargestellte Werte überschreiten die Skala nach oben.
Das Bild auf der linken Seite zeigt die Spannung im Ausgangszustand, während das Rechte die Spannung nach der Optimierung zeigt. 

Die anfänglich deutlich zu hohen Kontaktspannungen, die auch in Versuchen zum raschen Verschleiß und zum Ausfall der Kompressoren geführt haben, konnten durch entsprechende Geometrieoptimierung im direkten Kontaktbereich mehr als halbiert werden. Die Kompressoren hielten daraufhin und zeigten auch einen höheren Wirkungsgrad. 

CFD Berechnung eines Wasserkraftwerks 

Die vollständige CFD Simulation mit Berechnung der Turbinenleistung auch unter Ka­vitationsbedingungen dient der Optimierung der gesamtem Anlage und der Ver­kaufsabsicherung von zugesagten Leistungen. Die berechneten Wasserkraftwerke haben ein Leistungsspektrum von 400 kW bis 3.0 MW. 
 Mithilfe der CFD Simulation können Kennfelder der Leitschaufel- und Laufschaufelstellungen in Abhängigkeit der Fallhöhe und des Massenstroms erstellt werden. Fer­ner können neue Schaufel- und Saugrohrgeometrien auf ihr Potenzial untersucht werden.


Schnittdarstellung der Geschwindigkeit 
Die Schnittdarstellung zeigt die Strömung durch ein Wasserkraftwerk. Das Saugrohr erfüllt seine Aufgabe gut: die Strömung liegt bis zum Austritt an, ohne von einer Seite abzulösen. Im Zentrum der Saugrohrströmung tritt ein keulenartiges Strömungsge­biet mit schleichender Strömung auf.


Stromfadendarstellung der Geschwindigkeit Die Stromfadendarstellung zeigt einen leichten Drall hinter der Turbine. Das deutet auf eine nicht optimal eingestellte Schaufelstellung hin, denn jeder Drall bedeutet Strömungsverlust. Mit optimaler Schaufelstellung würde sich die Turbinenleistung er­höhen.

Druckverteilung auf einer Leit-und Laufschaufel im Leistungsoptimum der Anlage 

Die Druckverteilung auf den Schaufeln gibt Aufschluss über die Geometrie und die Stellung der Schaufeln. Es können Stellen mit potentiellem Kavitationsbeginn gefun­den werden. Mithilfe dieser Daten kann die Schaufelgeometrie optimiert werden. 

Wir bedanken uns bei der Firma OptoForm, insbesondere Herrn Dr. Peter Giese, für die langjährige Zusammenarbeit und das Vertrauen in MB CAD.

Keine Kommentare:

Kommentar veröffentlichen