Strömungssimulation zur Optimierung eines Ventils

An das Institut erging der Auftrag eines Ventilherstellers, mit Hilfe der numerischen Strömungssimulation ein Kühlwasserventil zu optimieren. Zielsetzung war die Betätigungskräfte bzw. -momente möglichst gering zu halten. Öffnungs- und Schließvorgang sollten bei jedem Betriebszustand problemlos möglich sein.

Vergleich Simulation mit Messung

Zu Beginn wurden vom Auftraggeber das 3D-Model eines Prototypen mit den dazugehörigen Messwerten sowie zwei mögliche Varianten übermittelt. Die Berechnung erfolgte mit einem unstrukturierten Gitter, bestehend aus 3,5 Mio. Elementen / 1,3 Mio. Knoten und einer fein aufgelösten Randschicht. Um eine vollständige Kennlinie zu erhalten, mussten pro Druckdifferenz 10 Schieberpositionen berechnet werden. Mit der experimentiell ermittelten Kennlinie wurde die numerische Simulation validiert. Es zeigte sich eine sehr gute Übereinstimmung.

Im Zuge der Auswertung wurden der Verlustbeiwert ζ, der Durchflussbeiwert kv und die auftretenden Kräfte und Momente ermittelt. Einen Unsicherheitsfaktor stellte jedoch der Reibungskoeffizient μ dar; dieser wurde mittels Messwerten validiert.

Ausgehend von den Berechnungsergebnissen konnten nun von Seiten des Institutes mehrere modifizierte Geometrien erarbeitet und simuliert werden. Mit diesen Versionen wurden deutliche Verbesserungen in Bezug auf das hydrodynamische Moment und somit auf die Öffnungs- und Schließtendenz erzielt werden.

Optimierung des Ventils übertraf die definierten Ziele

Die viel versprechenden Ergebnisse führten zu einem Folgeauftrag zur Weiterentwicklung der vom Institut optimierten Version. Mit dieser Weiterentwicklung wurden die ursprünglich definierten Ziele sogar übertroffen.