Beim Motoren- und Venti­la­to­ren­her­steller ebm-papst gehört die nume­ri­sche Strö­mungs­technik und Simu­la­tion zum Entwick­lungs­alltag. Seit vielen Jahren arbeiten die Inge­nieure bei der Entwick­lung ihrer Venti­la­toren mit leis­tungs­fä­higen CFD-Tools, nicht nur bei der Opti­mie­rung komplexer Lauf­rad­geo­me­trien (Bild 1), sondern auch bei Kühl­kon­zepten für Motor und Elek­tronik oder im Rahmen akus­ti­scher Unter­su­chungen zum Geräusch­ver­halten. Kunden profi­tieren von der strö­mungs­tech­ni­schen Ausle­gung ihrer eigenen Endge­räte, in denen ebm‑papst Venti­la­toren zum Einsatz kommen sollen, von diesem umfang­rei­chen Know-How.

Bild 1: Mit Hilfe von CFD-Simu­la­tion wird die Lauf­rad­geo­me­trie der Venti­la­toren ständig verbes­sert – für mehr Effi­zienz und eine bessere Durch­strö­mung. (Bild | ebm-papst)

Poten­tial der Simu­la­tion im Produk­ten­wick­lungs­pro­zess

Die Simu­la­tion der Strö­mungs­me­chanik macht Strö­mungen und Strö­mungs­größen wie Druck oder Geschwin­dig­keit im gesamten berech­neten Gebiet sichtbar. Mess­tech­nisch ist es oft gar nicht möglich an bestimmten Stellen zu messen, bzw. beein­flussen die Mess­in­stru­mente unter Umständen die Strö­mung, oder es sind eine Viel­zahl von Mess­sen­soren und -methoden notwendig, um vergleich­bare Infor­ma­tionen zu erhalten. Der resul­tie­rende Mess­aufbau ist dann entspre­chend komplex und teuer. Zudem muss bereits ein Muster­gerät aufge­baut sein, das vermessen werden kann. Wird während eines solchen Tests dann eine ungüns­tige Strö­mungs­si­tua­tion im Gerät gefunden, kann diese im Rahmen eines Rede­signs aus Zeit- und Kosten­gründen oft erst beim Nach­fol­ge­pro­dukt umge­setzt werden.

Besser ist es deshalb die Einbau­si­tua­tion bereits in den frühen Entwick­lungs­phasen eines Kunden­ge­räts strö­mungs­tech­nisch zu simu­lieren. Dies ermög­licht ein flexi­bles Reagieren auf aero­dy­na­mi­sche Schwä­chen im Design, indem der digi­tale Prototyp des Kunden noch vor dem tatsäch­li­chen Aufbau eines ersten Musters opti­miert werden kann. Zur Beur­tei­lung der Qualität ange­passter Design­va­ri­anten bildet das Berech­nungs­er­gebnis des Ist-Standes die Grund­lage.

So wird früh­zeitig gewähr­leistet, dass der verbaute Venti­lator wirk­lich mit den gewünschten Eigen­schaften arbeitet, ohne dass bereits hohe Kosten entstanden sind. Es lohnt sich also in einem frühen Entwick­lungs­sta­dium die Möglich­keiten von CFD zu nutzen. (Bild 2).

Bild 2: Idea­ler­weise steht die Nutzung der Simu­la­tion möglichst am Anfang eines Projektes, damit Lösungs­va­ri­anten früh­zeitig bewertet werden können. (Bild | ebm-papst)

Simu­la­tion als Dienst­leis­tung

Mit Hilfe von CFD lassen sich die Strö­mungs­ver­hält­nisse im Kunden­gerät berechnen, visua­li­sieren und verbes­sern oder auch unter­schied­liche Konzepte mitein­ander verglei­chen. Ener­gie­ver­brauch und Geräusch eines Venti­la­tors können sich deut­lich verän­dern, je nachdem wie das Gehäuse die Durch­strö­mung begüns­tigt, ob beispiels­weise axial von vorne ange­saugt wird, radial von allen Seiten oder einseitig. In schlechten Fällen kann sich dadurch die Leis­tungs­auf­nahme verdop­peln, bzw. der Wirkungs­grad halbieren und auch der Geräusch­pegel signi­fi­kant erhöhen. Dabei hilft CFD die strö­mungs­tech­ni­schen Gege­ben­heiten im Gerät zu verstehen (Bild 3).

Bild 3: Visua­li­sie­rung der Durch­strö­mung in einem Belüf­tungs­gerät. (Bild | ebm-papst)

Bevor mit der Simu­la­tion begonnen wird, sollte zunächst das Ziel defi­niert und einige Fragen beant­wortet werden. Muss ein Wärme­tau­scher möglichst gleich­mäßig durch­strömt werden? Soll die Simu­la­tion Druck­ver­luste aufspüren? Möchte der Kunde gene­rell die Auswahl des Venti­la­tors über­prüfen? Soll das Gerät, in dem der Venti­lator arbeitet, möglichst leise sein? Sind solche Fragen geklärt, liefern die 3D-CAD-Daten und der zu erwar­tende Betriebs­punkt (Druck, Volu­men­strom, Dreh­zahl) des Venti­la­tors, die Basis für die Simu­la­tion. Hinzu kommen Kenn­li­nien beispiels­weise von den im Gerät verbauten Filtern, Wärme­tau­schern oder Schutz­git­tern. Die Daten werden berei­nigt und unnö­tige Details entfernt (Clea­ning).

Dann wird die Simu­la­tion im soge­nannten Prepro­ces­sing vorbe­reitet. Das heißt, es werden bestimmte Rand­be­din­gungen vorge­geben und die Geome­trien vernetzt. Die Netz­struktur unter­teilt den durch­strömten Raum in viele einzelne Zellen, auf deren Basis die mathe­ma­ti­sche Berech­nung statt­findet. Die Simu­la­tionen laufen anschlie­ßend auf den Hoch­leis­tungs­rech­nern, die in einem Server­raum im ebm-papst Werk in Hollen­bach stehen.

Praxis­bei­spiele: Opti­mie­rungs­po­ten­tiale nutzen

Anhand der Simu­la­ti­ons­er­geb­nisse schätzen die Inge­nieure dann die Opti­mie­rungs­po­ten­tiale ab und erar­beiten konkrete Verbes­se­rungs­vor­schläge. Ein Kunde entwi­ckelte beispiels­weise ein Luft­rei­ni­gungs­gerät, in dem der Venti­lator drückend einge­setzt werden sollte. Die Simu­la­tion zeigte jedoch große Turbu­lenzen (Bild 4), wodurch sich die Leis­tungs­auf­nahme im Betriebs­punkt erhöhte. Den Venti­lator saugend einzu­setzen, also seine Einbau­po­si­tion zu verän­dern, erwies sich hier als hilf­reich. Die Luft­durch­strö­mung ist nun sehr gleich­mäßig, die Leis­tungs­auf­nahme sinkt und wirkt sich gleich­zeitig positiv auf das Betriebs­ge­räusch aus.

Bild 4a: Bei einem Luft­rei­ni­gungs­gerät ließ sich durch Ände­rung der Venti­la­tor­ein­bau­si­tua­tion die Durch­strö­mung deut­lich verbes­sern...

Bild 4b: ... Die Leis­tungs­auf­nahme sank und das Gerät arbeitet leiser.

Ein weiteres Beispiel: Bei einer Wärme­pumpe ließ sich mit Hilfe der Simu­la­ti­ons­er­geb­nisse die Effi­zienz deut­lich verbes­sern. Dank geome­tri­scher Ände­rungen sanken die Druck­ver­luste im Gerät um insge­samt 17 Prozent. Dabei wurden einzelne Teil­be­reiche im Gerät jeweils getrennt bewertet und das Produkt­de­sign entspre­chend ange­passt. Auch hier hat der Anwender von den Möglich­keiten der CFD Berech­nung profi­tiert.

Diese Beispiele zeigen, dass es sich für Endge­rä­te­her­steller lohnt, auf die nume­ri­sche Strö­mungs­si­mu­la­tion zu setzen, und diese schon im frühen Entwick­lungs­sta­dium anzu­wenden, um nach­träg­liche Entwick­lungs­kosten zu vermeiden. ebm-papst unter­stützt hier mit seiner lang­jäh­rigen CFD-Erfah­rung und bietet solche Auswer­tungen und Berech­nungen an, damit die Venti­la­toren in der Anwen­dung so effi­zient wie möglich arbeiten. Bereits durch kleine Opti­mie­rungen der Einbau­si­tua­tion, können Druck­ver­luste redu­ziert, die Effi­zienz erhöht oder Lauf­ge­räu­sche mini­miert werden.