Numerische Simulation der instationären Strömung in einer Kreiselpumpe

In der vorliegenden Arbeit wird die instationäre Strömung in Kreiselpumpen aus Kunststoff numerisch untersucht. Zuerst erfolgt die Berechnung einzelner Schaufelkanäle. Anschließend wird das Spiralgehäuse betrachtet. Bei der gekoppelten Simulation von Laufrad und Spiralgehäuse liegt der Schwerpunkt auf dem Vergleich zwischen stationär und instationär erzielten Berechnungsergebnissen. Durch die Abbildung aller durchströmten Komponenten im numerischen Gitter und die anschließende Berechnung der instationären Strömung kann das Verhalten der Pumpe simuliert werden. Eine Bestätigung für die Qualität der Ergebnisse ergibt sich neben der sehr guten Übereinstimmung mit der gemessenen Kennlinie auch durch den Vergleich mit lokalen Wanddruckmessungen im Spiralgehäuse. Numerische Ergebnisse erlauben es, die Strömung an beliebigen Stellen zu analysieren. Deshalb werden die Strömungsverhältnisse am Schaufelaustritt besonders betrachtet. Obwohl sich für die Förderhöhe ein linearer Verlauf über dem Volumenstrom ergibt, zeigt die detaillierte Betrachtung der Geschwindigkeitskomponenten, daß für die Wirkungsweise einer radialen Pumpenbeschaufelung innerhalb eines Spiralgehäuses Trägheitseffekte eine erhebliche Rolle spielen. Bei der stationären Berechnung einzelner Schaufelkanäle mit Radseitenraum ergeben sich teilweise Probleme, Konvergenz zu erzielen. Deshalb werden diese Berechnungen auch instationär ausgeführt. In den Ergebnissen zeigen sich erhebliche Unterschiede zu den stationär erzielten Resultaten. Im Bereich des Eintrittes der Strömung aus dem Radseitenraum in die Hauptströmung entsteht ein relativ zum Laufrad rückwärts umlaufender Wirbelkranz. Ein weiterer Abschnitt wird der Betrachtung der Wirkungsweise einer Spirale gewidmet. Abschließend folgt der Versuch, innerhalb einer einzigen Simulation der instationären Strömung, durch kontinuierliches Verändern des Massenstromes das komplette Verhalten einer Kreiselpumpe über weite Bereiche der Kennlinie zu beschreiben. Es zeigt sich, daß dieses Vorgehen nahezu gleichwertige Resultate zur Untersuchung einzelner Betriebspunkte liefert. Damit wird klar, daß es möglich ist, bei der Entwicklung einer Strömungsmaschine die zeitaufwendigen und teuren praktischen Experimente weitgehend auf "numerische Prüfstände" zu verlagern. Durch die Verbesserung der Berechnungsalgorithmen und die Steigerung der Rechenleistung der Computer sind Berechnungen der instationären Strömung innerhalb von Kreiselpumpen auch in der Industriepraxis durchführbar.

This doctoral thesis covers the analysis of transient flow in centrifugal pumps by numerical methods. Simulations are performed for individual blade channels, followed by a simulation of the volute casing. In the coupled simulation of the impeller with the volute casing, the focus is on a comparison between steady-state and transient simulation results. The behaviour of the pump can be effectively simulated by including all of the wetted components in the simulation. In addition to the very good agreement with the measured pump characteristics, the simulation results are also validated against local static wall pressure measurements in the volute casing. As numerical methods offer the possibility of examining the flow conditions at any point in the flow, the conditions at the blade outlet have been the subject of particular focus. Although the results show a linear relationship between the pump head and the flow rate, a detailed analysis of the velocity components indicates that inertial effects play a decisive role in the interaction between the blades of a radial pump and its volute casing. Because of problems encountered in achieving convergence in the steady-state simulation, transient simulations of the individual blade channels with impeller side gaps were also performed. A comparison of the results from the two methods reveals significant differences. In the region where the flow from the impeller side gap meets the core flow, backward rotating vortexes are generated. Another section of the thesis is dedicated to the volute casing. In a final step, an attempt is made to describe the complete behaviour of a centrifugal pump in a single transient simulation by continuously varying the mass flow. This approach yields results which are equivalent to those from the analysis of individual operating points. This demonstrates the feasibility of shifting the development of hydraulic machines from time-consuming and expensive experiments to "numerical test benches". Thanks to significant improvements in the calculation algorithms and the increased processing capacity of computers, numerical simulations of transient flow in centrifugal pumps are currently also feasible in industrial practice.