Kontaktieren Sie uns jetzt

Nachricht schreiben

Berechnung einer Lüftung(-sführung)

Ein Axial-Lüfter mit rückwärts gekrümmten Schaufeln saugt Luft aus einem Raum ab und führt diese über einen Schacht in einen weiteren Raum. Die Funktionalität des Lüfters sowie des Lüftungsschachts soll überprüft werden hinsichtlich Effizienz, Dimensionierung und allgemeiner Funktion.

Gewünscht ist eine gleichmäßigere Verteilung der Strömung innerhalb des Schachts, eine möglichst homogene Füllung am Austritt und verringerte Druckverluste.

Der Ausgangszustand war (Illustration 1) ein gerader Schacht an dessen Anfang mittig ein Lüfter sitzt.

1. Illustration: Ausgangsgeometrie

Zur Analyse des Ausgangszustandes wurde eine erste CFD-Simulation vorgenommen. Aufgrund der großflächigen Ausströmung aus dem Lüfter in den Kanal entstehen viele Wirbel, Ablösungen und ein allgemein sehr inhomogenes Strömungsbild (Illustration 2-5).

2. Illustration: Geschwindigkeitsskala

3. Illustration: Schnitt durch Schacht: Geschwindigkeitsprofil

4. Illustration: 3D Strömungslinien

5. Illustration: Geschwindigkeitsprofil am Auslass

Eine genauere Analyse zeigt:

  1. Höhere Geschwindigkeiten konzentrieren sich auf die (aus dieser Ansicht) linke Schachtseite
  2. Höhere Geschwindigkeiten konzentrieren sich auf den oberen Teil des Schachts
  3. Wirbelbildung an der rechten Schachtseite
  4. Hohe lokale Geschwindigkeiten infolge dessen Strömungsablösung am Austritt (Übergang von Schacht in den zu belüftenden Raum)
  5. Das Gehäuse um den Lüfter begünstigt die Strömung nicht, es bringt eher weitere Nachteile

Da die Zielsetzung mit diesem Ergebnis nur mangelhaft erfüllt wird, sollen jetzt die Ingenieure von CFD+engineering helfen. Hierbei kommt die Stärke der CFD-Simulation zum tragen: Nach Aufsetzen der Simulation können ganz bequem beliebig viele Optimierungsvarianten getestet und auf ihre hoffentlich bessere Funktion überprüft werden. Unter Berücksichtigung einiger Randbedingungen (Größe des Auslasses in den 2ten Raum, Beibehalten dieses Lüfters und seiner Position) wurden verschiedene Vorschläge entwickelt. Die Simulation wird mit OpenFoam durchgeführt und es werden die folgenden üblichen Vereinfachungen vorgenommen:

  • Gehäuse werden als Festkörper modelliert
  • Luftraum wird als inkompressibles Fluid simuliert
  • Turbulenz wird modelliert
  • Lüfter wird modelliert

Mit Analyse der Durchströmung der übergebenen Geometrie als Ausgangspunkt wurde ein iterativer Optimierungsprozess durchgeführt

Zuerst wurde analysiert, an welchen Stellen es zu suboptimalen Strömungseffekten kommt und woher diese stammen:

  • Strömungsablösungen an der rechten Schachtwand → Strömung liegt nicht an der Wand an und kann folglich nicht durch diese beeinflusst werden. Dies ist unter anderem der starken und schnellen Querschnittsaufweitung geschuldet
  • Ungleichmäßige Verteilung der Strömung über die Höhe des Schachts → Ursache ist der inhomogene Austritt der Strömung aus dem Lüfter
  • Wirbelbildung im hinteren Teil des Schachts → Kombination / Folge aus den beiden vorherigen Effekten

Um diese zu bekämpfen wurden folgende Maßnahmen schrittweise umgesetzt:

  • Anpassen der Geometrie: Volutenförmiges Gehäuse um den Lüfter, gradielle Aufweitung des Schachts + Abrundungen an dessen Ende
  • Einbau einer Rampe im Schacht → Die Strömung soll besser „aufgefangen werden“, außerdem verlangsamt sich so die Vergrößerung des Querschnitts
  • Einzug des Schachts→ Reduzierung der Querschnittsfläche im Schacht

Um Effekt, Effizienz und Wechselwirkungen der Maßnahmen auf die Strömung zu überprüfen, wurden diese nach und nach eingearbeitet. Hier zunächst ein Überblick der untersuchten Geometrie-Varianten:

  • Ausgangs-Konfiguration: Lüfter mit breitem, geradem Schacht
  • Variante 1: Volutengehäuse und optimierte Schachtgeometrie
  • Variante 2: Hinzufügen einer Rampe
  • Variante 3: Hinzufügen einer Rampe + Einzug
  • Variante 4: Hinzufügen eines Einzugs

Variante 1:

Geometrie:

  • Der Lüfter erhält in ein volutenförmiges Gehäuse
  • Anpassen der Formführung des Schachts an die vermutlich auftretende Strömung
  • Abrunden der scharfen Kanten am Ende des Schachts

6. Illustration: Geometrie

Begründung:

  • Optimieren der Ausströmung aus dem Lüfter
  • Verbesserte Strömungsführung im Schacht
  • Verhindern der Strömungsablösung am Ende des Schachts

→ Es soll eine homogenere Strömung innerhalb des Schachts erzeugt werden

Ergebnis:

Eine Verbesserung in der anfänglichen Strömungsführung ist zu erkennen, allerdings gibt es immer noch deutliche, wenn auch geringere Strömungsablösungen und Wirbelbildungen an der rechten Schachtwand. Die Strömungsablösung am Austritt konnte mit dieser neuen Gesamtgeometrie ebenfalls deutlich verringert werden.
Abbildungen:

7. Illustration: 3D Strömungslinien

8. Illustration: Schnitt durch Schacht: Geschwindigkeitsprofil

9. Illustration: Geschwindigkeitsprofil am Auslass

2. Illustration: Geschwindigkeitsskala

Variante 2:

Geometrie:

  • Beibehalten der Geometrie aus Variante 1
  • Einbringen einer zusätzlichen Rampe in den Schacht

10. Illustration: Geometrie

Begründung:

  • Reduktion der anfänglichen Querschnittsöffnungsrate und Querschnittsfläche = langsameres Aufweiten des Schachts → Die Strömung soll dadurch an der Wand haften und ein homogenes Strömungsfeld entsteht

Ergebnis:

Die Strömung liegt nun länger an der äußeren Schachtwand an. Die bisher mittige Ablösung und anschließende Wirbelbildung ist beseitigt, taucht allerdings wenig später wieder auf. Das Konzept der Rampe funktioniert also, ist aber dennoch nicht ausreichend, um die auftretende Strömung mit der vorhandenen Querschnittsgröße- und öffnungsrate unter Kontrolle zu bringen. Das Ergebnis ist an den Stromlinien und dem Schnitt durch das Geschwindigkeitsfeld am Ausgang des Schachts deutlich zu erkennen.
Abbildungen:

11. Illustration: 3D Strömungslinien

12. Illustration: Schnitt durch Schacht: Geschwindigkeitsprofil

13. Illustration: Geschwindigkeitsprofil am Auslass

2. Illustration: Geschwindigkeitsskala

Variante 3:

Geometrie:

  • Beibehalten der Geometrie aus Variante 1
  • Einbringen einer zusätzlichen Rampe in den Schacht + Reduzierung der Schachtgröße mittels Einzug

14. Illustration: Geometrie

Überlegung:

  • Weiterhin Reduktion der anfänglichen Querschnittsöffnungsrate und Querschnittsfläche = langsameres Aufweiten des Schachts durch beide Maßnahmen → Die Strömung soll dadurch an der Wand haften und ein homogenes Strömungsfeld entsteht

Ergebnis:

Wie schon in Variante 2 zeigt sich eine ähnliche Verbesserung des Strömungsfeldes. Während der Schacht nun größtenteils homogener befüllt ist, kommt es immer noch zu, wenn auch späten, Wirbelbildungen, die den Austritt der Strömung aus dem Schacht beeinflussen. Es wird vermutet, dass die Rampe die späte Wirbelbildung begünstigt, da sie neben ihrer helfenden Funktion auch für schlechtere Geschwindigkeitsverteilung über die Höhe des Schachts sorgt. Ein solcher Geschwindigkeitsunterschied beziehungsweise Geschwindigkeitsgradient führt zu Wirbeln, da die verschiedenen Bereiche der Luft sich ausgleichen wollen (Streben nach Gleichgewichtszustand).
Abbildungen:

15. Illustration: 3D Strömungslinien

17. Illustration: Schnitt durch Schacht: Geschwindigkeitsprofil

16. Illustration: Geschwindigkeitsprofil am Auslass

2. Illustration: Geschwindigkeitsskala

Variante 4:

Geometrie:

  • Beibehalten der Geometrie aus Variante 1
  • Nur Reduzierung der Schachtgröße (keine Rampe)

18. Illustration: Geometrie

Überlegung:

  • Reduktion der anfänglichen Querschnittsöffnungsrate und Querschnittsfläche = langsameres Aufweiten des Schachts → Die Strömung soll dadurch an der Wand haften und ein homogenes Strömungsfeld entsteht
  • Einzug ohne zusätzliche Rampe reicht aus, um den gewünschten Effekt zu erzielen – keine Rampe begünstigt die inhomogene Verteilung über die Höhe nicht noch mehr

Ergebnis:

Die Ergebnisse zeigen die erwartete verringerte Wirbelbildung gegen Ende des Schachts. Am Geschwindigkeitsprofil des Austritt ist dies deutlich zu erkennen. Ebenfalls ist dort nun eine Ablösung wie im Ausgangzustand aufzufinden. Das Entfernen der Rampe führt nun wieder zu Ablösung der Strömung im mittleren Teil des Schachtes, allerdings haftet die Strömung durch die nun weniger extreme Querschnittsaufweitung nur wenig später wieder an.

Abbildungen:

19. Illustration: 3D Strömungslinien

20. Illustration: Schnitt durch Schacht: Geschwindigkeitsprofil

21. Illustration: Geschwindigkeitsprofil am Auslass

2. Illustration: Geschwindigkeitsskala

Da die bisherigen Optimierungsansätze zwar eine deutliche Verbesserung des Ausgangszustandes darstellen, allerdings immer noch nicht den gewünschten Zielvorgaben entsprechen wird nun nach weiteren Ansätzen gesucht. Die Ingenieure von CFD+engineering vermuten die bisherige Dimensionierung des Schachtauslasses (und damit einhergehend die notwendige Öffnungsrate des Schachts) ist mit dem derzeitigen Lüfter schwer in Einklang zu bringen. Daher schlagen sie vor die bisherige Randbedingung der Auslassgröße aufzuheben:

Variante 5:

Geometrie:

  • Verkleinerung des Schachtauslasses
  • Dementsprechend Verkleinerung des Schachts

22. Illustration: Geometrie

Überlegung:

  • Geringere Endquerschnittfläche reduziert die Aufweitungsrate über die gesamte Schachtlänge erheblich und sorgt so für anliegende, homogene Strömung innerhalb und am Ende des Schachts

Ergebnis:

Die Ergebnisse zeigen eine gleichmäßigere Verteilung der Strömung innerhalb des Schachts. Eine vollständig homogene Füllung am Austritt konnte nicht erreicht werden. Dazu wäre nun der Einbau einer Leitrippe beziehungsweise Schaufel in Nähe des Auslasses vonnöten, da eine reine Beeinflussung der Strömung durch die Wände hier an ihre Grenzen stösst.

Abbildung:

23. Illustration: 3D Strömungslinien

24. Illustration: Schnitt durch Schacht: Geschwindigkeitsprofil

25. Illustration: Geschwindigkeitsprofil am Auslass

2. Illustration: Geschwindigkeitsskala

Ein abschließender qualitativer Vergleich der Strömung in den Schächten zeigt die Verbesserungen deutlich:

  • Die Geschwindigkeitsverteilung über den Schacht ist nun wesentlich homogener
  • Eine vollständig homogene Ausströmung konnte nicht erreicht werden
  • Weitere Optimierung nur durch Leitschaufeln möglich, da Lüfter (Position und Ausrichtung) fest verbaut

26. Illustration: Schnitt durch Schacht: Geschwindigkeitsprofil: Ausgangs-Konfiguration

27. Illustration: Schnitt durch Schacht: Geschwindigkeitsprofil: Variante 5

Ebenfalls wurden die Druckverluste untersucht – eine wichtige Kenngröße, um den Energieverlust in einem Leitungssystem zu bewerten. Diese konnten durch die gleichmäßigere Strömung in Folge der Optimierung gesenkt werden.

28. Illustration: 3D Strömungslinien: Ausgangs-Konfiguration

29. Illustration: 3D Strömungslinien: Variante 5

Optimieren auch ohne CFD

Gerade in der Konzeptphase ist es wichtig, strömungmechanische Eigenschaften zu analysieren und zu optimieren.

Dabei genügt es oft, das Design mit strömungmechanischem Sachverstand zu begutachten, um bereits erste Lösungen zu finden, ohne eine CFD-Simulation durchführen zu müssen.

Auf Basis unserer jahrelangen Erfahrung die wir in unterschiedlichsten Projekten und Branchen gesammelt haben, unterstützen wir sie gerne

Analysepaket

Buchen Sie unser Analysepaket zum Festpreis!

Wir analysieren ihren aktuellen Konstuktionsstand, identifizieren Optimierungspotentiale und diskutieren in einer einstündigen Websession wie Ihr Produkt strömungsmechanisch verbessert werden kann.

Festpreis: € 500,00

+ gesetzl. MWSt.

FAQ’s

Wie groß ist das Verbesserungs-Potenzial einer strömungsmechanischen Analyse?
Das ist a priori natürlich nicht sicher zu beurteilen, jedoch kann man aus unserer Erfahrung sagen, daß bei erstmaliger Anwendung einer Strömungsanalyse per CFD auf ein Produkt in der Regel Verbesserungen der Performance im zweistelligen Prozentbereich erreicht werden. – Und nebenbei zahlreiche Ideen für weitere Verbesserungen des Produktes entstehen!

CFD oder Versuch? – CFD und Versuch!
Diese zwei Herangehensweisen stehen nicht etwa in Konkurrenz, sie ergänzen sich hervorragend! Die CFD-Analyse leifert vor allem in frühen Entwicklungsstadien einen wichtigen Beitrag zur Entscheidung zwischen verschiedenen Konzepten und eine erste Optimierung vor dem Bau der Prototypen. Mit zunehmendem Reifegrad von Prototypen wird dann der Versuch die zu bevorzugende Alternative, weil er zu diesem Zeitpunkt oft günstiger und sicherer Erkenntnisse über die gesamte Performance des Gerätes liefert.
Ausnahme: Einzelstücke oder sehr teure bzw. komplexe Strukturen oder sehr kurze Entwicklungszeiten. Also Situationen, in welchen die Konstruktion bereits ab der ersten Ausführung funktionieren muß: Hier ist wesentlich mehr Simulations-Aufwand auch in späteren Entwicklungsphasen gerechtfertigt.

Welchen Nutzen bringt mir eine CFD-Simulation bei Temperatur-Problemen?
Kühlung / Heizen / Temperierung : Sobald es nicht um die reine Wärmeleitung in einem Festkörper geht, sondern ein sich bewegendes Fluid involviert ist – und sei es nur die umgebende Luft – macht eine Simulation der Strömungsvorgänge bei diesem Wärme-Austausch großen Sinn: Konvektiver Wärmetransport (also Aufnahme der Wärme durch ein vorbeiströmendes Fluid) ist meist der Haupt-Einfluß für die Temperierung einer Komponente oder eines Gerätes – und nebenbei die häufigste industrielle Anwendung für Strömungen überhaupt!