TwinMesh for positive displacement machines

TwinMesh for positive displacement machines: Structured meshes and reliable CFD
simulations
Referent: Jan Hesse (CFX Berlin Software GmbH)
Co-Referent: Dr. Andreas Spille-Kohoff (CFX Berlin Software GmbH)
Positive displacement (PD) machines are used in a wide range of technical applications.
Typical PD rotary machines are internal and external gear pumps, rotary lobe pumps, and
screw compressors. In such machines, fluid is transported in chambers between the lobes
of two or more rotors. PD machines are designed to pump fluids with high viscosity
against high pressure, but their efficiency is greatly determined by geometric features such
as the shapes of the lobes and housing. In addition, the losses through the mechanical
clearances by leakage flows, and thermodynamic and cavitation effects have to be taken
into account. Physical experiments involving measurements or flow visualization inside
the machines are difficult.
CFD simulations have promising potential to become an important part in the
development process of PD machines. CFD delivers deep insights into the flow and
thermodynamic behavior of such machines. However, the numerical simulation of PD
machines is more complex compared to dynamic pumps like turbines or fans. The fluid
transport in size-changing chambers with very small clearances between the lobes, and
between rotors and casing, demands complex meshes that change with each time step.
Additionally, the losses due to leakage flow and cavitation effects need high-quality
meshes so that automatic remeshing is almost impossible.
TwinMesh is a novel software developed by CFX Berlin Software GmbH, which
generates high-quality hexahedral meshes for each time step automatically to represent the
complex changes of the interlobe chambers. TwinMesh can be used for external and
internal gear pumps, rotary lobe pumps and screw compressors with arbitrary lobe shapes
and twisted or straight rotors. The meshes consist of near-orthogonal hexahedral elements
with accurate boundary layer resolution. The meshes are generated in advance and read in
at run-time from ANSYS CFD by special routines. The mesh topology remains the same
and therefore, no interpolation or solver restarts are necessary thus, ensuring a fast and
reliable CFD simulation. This presentation includes an overview of the TwinMesh
features and some simulation results for positive displacement machines using ANSYS
CFD.
Numerische Berechnung aerodynamischer Kenngrößen des DrivAer-Modells und
des Ahmed-Körpers und Vergleich mit Messergebnissen
Referent: Zbigniew Michalek (Beuth Hochschule für Technik Berlin)
Co-Referent: Dr. Andreas Spille-Kohoff (CFX Berlin Software GmbH)
Für aerodynamische Grundlagenuntersuchungen wird häufig statt eines realen Fahrzeugs
ein generisches Fahrzeugmodell verwendet. Dies erlaubt einen direkten Vergleich mit
anderen frei zugänglichen Versuchsergebnissen oder Simulationsergebnissen.
Das bisherige Standard-Modell eines generischen Fahrzeugs war der Ahmed-Körper von
S.R. Ahmed, G. Ramm, G. Faltin aus dem Jahr 1984. Der Ahmed-Körper ist ein stark
abstrahiertes Modell mit nur einem Variationsparameter, dessen Geometrie leicht
herzustellen ist. Am Lehrstuhl für Aerodynamik der Technischen Universität München
wurde in Kooperation mit der Audi AG und der BMW Group ein neues generisches
Fahrzeugmodell, der DrivAer-Körper, entwickelt, mit verschiedenen Varianten
hinsichtlich Heckform und Detaillierungsgrad. Dieses Modell stellt ein deutlich weniger
abstrahiertes Fahrzeug dar und schließt die Lücke zwischen dem stark abstrakten,
generischen Ahmed-Körper und einem tatsächlichen Serienfahrzeug. Das Institut für
Experimentelle Strömungsmechanik und Technische Akustik der Technischen Universität
Berlin hat Messungen des DrivAer-Modells im Windkanal zu verschiedenen
Anströmgeschwindigkeiten und Anströmwinkeln (-12° bis 12°) vorgenommen.
Diese Präsentation zeigt Ergebnisse einer bei der CFX Berlin Software GmbH erstellten
Bachelorarbeit. Nach einer Übersicht über Geometrien, Randbedingungen und verfügbare
Messdaten zum Ahmed-Körper und zum DrivAer-Modell werden Simulationen mit
ANSYS CFX vorgestellt. Die Geometrie des DrivAer-Modells wurde mit dem ANSYS
Design Modeler angepasst, der Ahmed-Körper wurde vollständig mit dem ANSYS
Design Modeler generiert. Die Gitter wurden mit ANSYS Meshing erstellt, eine
Netzstudie wurde durchgeführt. Für beide Modelle wurden verschiedene Geometrie- und
Anströmungsvarianten simuliert, u.a. wurde beim Ahmed-Körper der Winkel des
Schräghecks parametrisiert. Die Ergebnisse werden vorgestellt und, insbesondere die
aerodynamischen Kenngrößen, mit den Messergebnissen verglichen.
Simulation des Rayleigh-Zerfalls eines Flüssigkeitsstrahls mit ANSYS FLUENT
Referent: Mario Ramlow (Technische Hochschule Wildau)
Co-Referent: Dr. Andreas Spille-Kohoff (CFX Berlin Software GmbH)
Sprays sind in unserem täglichen Umfeld und in der industriellen Anwendung weit
verbreitet. Der Vorgang des Zerfalls des Flüssigkeitsstrahls in die einzelnen Tropfen
(Primärzerfall) und des Zerfalls der Tropfen in kleinere Tropfen (Sekundärzerfall) ist
jedoch sehr komplex, da hier Effekte wie Oberflächenspannung, aerodynamische Kräfte,
Turbulenzen und weitere Zerfallsmechanismen zusammenwirken. Auch die Simulation tut
sich schwer mit der Abbildung des Zerfalls und der Vorhersage des Tropfenspektrums;
häufig werden die Größen- und Teilchenverteilung vorgegeben und dann nur die
Ausbreitung und das Auftreffen simuliert.
Diese Präsentation zeigt Ergebnisse einer bei der CFX Berlin Software GmbH erstellten
Bachelorarbeit. Nach einer Übersicht über die verschiedenen Mechanismen des Zerfalls
und deren Klassifizierungen auf Grundlage der wirkenden physikalischen Effekte werden
Simulationsergebnisse mit ANSYS Fluent zum Primärzerfall gezeigt. Hierbei liegt der
Schwerpunkt auf dem bei niedrigen Strahlgeschwindigkeiten wirkenden Rayleigh-Zerfall
bis hin zum Übergang zum windinduzierten Zerfall. Dem Rayleigh-Zerfall liegt eine
schwingungsinduzierte Instabilität zugrunde, die durch äußere Störungen (Turbulenzen,
Scherschichtinstabilitäten) initiiert wird. Für eine bessere Reproduzierbarkeit wurde ein
Mechanismus modelliert, bei dem der einströmende Flüssigkeitsstrahl periodisch gestört
wird, um die Instabilitäten gezielt anzuregen. Dies führte auch zu einer deutlich kürzeren
Aufbruchlänge.
Im letzten Teil des Vortrags erfolgt eine Quantifizierung der Ergebnisse. Es wird
untersucht, welchen Einfluss verschiedenste Parameter auf die Simulation des
Primärzerfalls haben. Gegenstand der Untersuchung sind dabei Stoffeigenschaften
(Oberflächenspannung, Dichte, Viskosität), Strahlcharakteristika (Durchmesser,
Massenstrom) und die numerischen Parameter (Gitterauflösung,
Diskretisierungsverfahren, Zeitschrittweite). Weiterhin wird eine Untersuchung des
Einflusses der Anregungsparameter (Art, Frequenz, Amplitude) vorgenommen. Die
Simulationsergebnisse werden mit Experimenten verglichen.