Es gibt zwei grundsätzliche Wege, die Rotation in Analysen von Pumpen, Ventilatoren, Verdichtern und Turbinen abzubilden. Der Kostenunterschied zwischen ihnen ist groß; der Genauigkeitsunterschied hängt von der Aufgabe ab [1] [2].
Bewegtes Bezugssystem (Frozen Rotor)
Die rotierende Zone wird stationär in einem rotierenden Bezugssystem gelöst. Die Komponenten bewegen sich nicht relativ zueinander, und an der Schnittstelle wird über den Umfang gemittelt.
Wo es passt: nahe dem Auslegungspunkt, bei umfangsgleichförmiger Zu- und Abströmung und wenn die gesuchte Größe ein Mittelwert ist — Förderhöhe, Druck-Volumenstrom-Kennlinie, Wirkungsgrad.
Es ist billig: eine stationäre Lösung, typischerweise wenige Stunden.
Gleitendes Netz
Die rotierende Zone dreht sich in jedem Zeitschritt tatsächlich, und die Strömung über die Schnittstelle wird in der wahren Relativlage berechnet. Die Rechnung ist instationär.
Wo es nötig ist:
- Wenn die Rotor-Stator-Wechselwirkung zählt. Nahe einem Spiralsporn oder Leitschaufeln erzeugt das Schaufelpassieren eine zyklische Lastschwankung an der Schaufel. Ein Frozen Rotor kann das per Definition nicht zeigen.
- Beim Betrieb fern vom Auslegungspunkt. Bei Teillast treten rotierender Strömungsabriss und Rezirkulation auf; das sind instationäre Vorgänge.
- Wenn Schwingung, Geräusch oder Ermüdung die Frage ist. Die gesuchte Größe ist die Schwankung selbst.
- Wenn der Kavitationsbeginn untersucht wird; der momentane Minimaldruck liegt deutlich unter dem Mittelwert.
Es ist teuer: mehrere volle Umdrehungen müssen gerechnet werden, typischerweise das Zehn- bis Fünfzigfache eines Frozen Rotor.
Ein praktischer Ablauf
Erzeugen Sie die gesamte Kennlinie zuerst mit einem Frozen Rotor. Prüfen Sie dann nur die kritischen Punkte — den Auslegungspunkt und den äußersten Teillastpunkt — mit einem gleitenden Netz. Der Unterschied zwischen beiden zeigt, über welchen Bereich den Frozen-Rotor-Ergebnissen zu trauen ist, und genau das ist der wertvolle Teil des Berichts.
Häufige Fehler
Die Schnittstelle an der falschen Stelle. Der Rand der rotierenden Zone sollte weit genug von der Schaufelspitze entfernt und dort liegen, wo sich die Strömung erholt hat.
Eine stationäre Lösung erzwingen, die nicht konvergiert. Konvergiert ein Frozen Rotor nicht, ist das meist ein Zeichen dafür, dass die Physik instationär ist — nicht dafür, dass an den Relaxationsfaktoren noch zu arbeiten wäre.
Die Grenzen eines Einzelpassagenmodells vergessen. Siehe die Notiz zu Symmetrie- und Periodizitätsannahmen.
Referenzen
- Menter, F. R. (1994). Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications. AIAA Journal, 32(8), 1598–1605. DOI: 10.2514/3.12149
- International Towing Tank Conference. ITTC Recommended Procedures and Guidelines 7.5-03-02-03: Practical Guidelines for Ship CFD Applications. ITTC.