Top

Published in:

2020 | OriginalPaper | Chapter

8. Numerische Strömungsberechnungen

Author : Johann Friedrich Gülich

Published in: Kreiselpumpen

Publisher: Springer Berlin Heidelberg

Activate our intelligent search to find suitable subject content or patents.

search-config

AI-assisted search

Off

Zusammenfassung

Kommerzielle Programme zur numerischen Lösung der Navier-Stokes-Gleichungen für 3D- Strömungen (3D-NS) werden universell eingesetzt. Theorie und Instruktionen für den Programmeinsatz erhält der Anwender aus der Programmdokumentation. Kapitel 8 konzentriert sich daher eher auf Besonderheiten und Probleme beim Einsatz von 3D-NS für verzögerte Strömungen auf gekrümmten Bahnen in Kreiselpumpen, bei denen die Wechselwirkung zwischen Haupt- und Radseitenraumströmung (sowie Leckströme durch Spaltdichtungen) erschwerend hinzukommen. Turbulenzmodellierung und Wandgesetze können diese Strömungen nur unvollkommen beschreiben, da sie aus einfachen Geometrien abgeleitet wurden. Zwei-Phasen- und Kavitationsströmungen steigern diese Schwierigkeiten erheblich. Fokus-Themen: Berechnungsstrategien, Unsicherheiten, Fehlerquellen, Qualitätssicherung bei CFD-Rechnungen, Vergleich zwischen Rechnung und Messung, Genauigkeit numerischer Berechnungen, empfohlene CFD-Rechenparameter sowie Postprozessing und Kriterien für die Beurteilung numerischer Berechnungen.

Dont have a licence yet? Then find out more about our products and how to get one now:

Springer Professional "Wirtschaft+Technik"

Online-Abonnement

Mit Springer Professional "Wirtschaft+Technik" erhalten Sie Zugriff auf:

über 102.000 Bücher
über 537 Zeitschriften

aus folgenden Fachgebieten:

Automobil + Motoren
Bauwesen + Immobilien
Business IT + Informatik
Elektrotechnik + Elektronik
Energie + Nachhaltigkeit
Finance + Banking
Management + Führung
Marketing + Vertrieb
Maschinenbau + Werkstoffe
Versicherung + Risiko

Jetzt Wissensvorsprung sichern!

inform now

Springer Professional "Technik"

Online-Abonnement

Mit Springer Professional "Technik" erhalten Sie Zugriff auf:

über 67.000 Bücher
über 390 Zeitschriften

aus folgenden Fachgebieten:

Automobil + Motoren
Bauwesen + Immobilien
Business IT + Informatik
Elektrotechnik + Elektronik
Energie + Nachhaltigkeit
Maschinenbau + Werkstoffe

Jetzt Wissensvorsprung sichern!

inform now

previous chapter Berechnung und Entwurf der hydraulischen Komponenten

next chapter Hydraulische Kräfte

Die Abbruchfehlerordnung allein bestimmt noch nicht die Genauigkeit; sie sagt nur aus, dass mit zunehmender Netzdichte die exakte Lösung schneller erreicht wird.

Bei den Untersuchungen in [30, 41] reagierten die Rechenergebnisse wenig empfindlich auf die Turbulenzparameter. Dieser Befund wird durch CFD-Rechnungen in [5] bestätigt.

Diese Aussage wird durch die Messungen in [59] bestätigt.

So betrugen z. B. die in [43] Kap. 9 mit CFD berechneten Radreibungsverluste glatter Scheiben nur etwa 10 % der nach Gl. (T3.6.11) zu erwartenden Werte, die durch verschiedene Messungen bestätigt wurden.

Mitunter wird in Publikationen nicht streng zwischen Begriffen wie der „Förderhöhe der Pumpe“ und dem „Totaldruck des Laufrades“ (oder den entsprechenden Wirkungsgraden) unterschieden, was entsprechende Vergleiche an sich gegenstandslos macht.

Balasubramanian, R., Bradshaw, S., Sabini, E.: Influence of impeller leading edge profiles on cavitation and suction performance. Proc. 27th Interntl. Pump Users Symp. Texas A & M, S. 34–44 (2011)

Bartsch, P.: Numerische Untersuchung der Leitrad-Laufrad-Wechselwirkungen in axialen Kreiselpumpen. Dissertation, Berlin (1994)

Bissig, M., Staubli, T.: Numerische Berechnung der Fluid-Rotorinteraktion im Radseitenraum von Hydromaschinen. VDI-Tagung Fluid-Struktur-Wechselwirkung, Heidelberg (2002)

Bouziad, A.Y., Farhat, M., Guennoun, F., Kueny, J.L., Avellan, F.: Physical modeling and simulation of leading edge cavitation, application to an industrial inducer. 5th Intl. symp. on cavitation, Osaka, Cav03-Os-6-014 (2003)

Braun, O.: Part load flow in radial centrifugal pumps. Dissertation, EPF Lausanne (2009)

Casey, V.M.: Computational methods for preliminary design and geometry definition in turbomachinery. Nato AGARD Lecture Series 195 (1994)

Casey, V.M.: The industrial use of CFD in the design of turbomachinery. Nato AGARD Lecture Series 195 (1994)

Casey, V.M., et al.: Flow analysis in a pump diffuser. Part 2: Validation of a CFD code for steady flow. ASME FED. 227, 135–143 (1995)

Cebici, T.: Turbulence models and their application. Springer, Berlin. ISBN 3-540-40288-8 (2004)

10.

Chen, C.J., Patel, V.C.: Near-wall turbulence models for complex flows including separation. AIAA J. 26, 641–648 (1988)CrossRef

11.

Cheng-I, Y.: A simulation of viscous incompressible flow through a multiple-blade-row turbomachinery. ASME FED 227, 11–18 (1995)

12.

Coleman, H.W.: Some observations on uncertainties and the verification and validation of simulations. ASME J Fluids Engng. 125, 733–735 (2003)CrossRef

13.

Combes, J.F., et al.: Numerical investigation of the rotor-stator interaction in a centrifugal pump using a finite element method. ASME FEDSM97-3454 (1997)

14.

Combes, J.F. et al.: Numerical and experimental analysis of the flow in a centrifugal pump at nominal and partial flow rate. ASME Paper 92-GT–284

15.

Cooper, P., Graf, E.: Computational fluid dynamical analysis of complex internal flows in centrifugal pumps. Proc. 11th Intl. Pump Users Symp. Houston, S. 83–93 (1994)

16.

Cugal, M., Baché, G.: Performance prediction from shutoff to runout flows for a complete stage of a boiler feedpump using CFD. ASME FEDSM97-3334 (1997)

17.

Dawes, W.N.: A simulation of the unsteady interaction of a centrifugal impeller with its vaned diffuser: Flow analysis. ASME J Turbomach. 117, 213–221 (1995)CrossRef

18.

Dupont, P.: Numerical prediction of cavitation in pumps. Proc 18th Interntl. Pump Users Symp/ Texas A & M, S. 59–65 (2001)

19.

Dupont, P., Casartelli, E.: Numerical prediction of the cavitation in pumps. ASME FEDSM2002–31189

20.

Durbin, P.A., et al.: Rough wall modification of two-layer k-ε. ASME JFE 123, 16–21 (2001)

21.

ERCOFTAC Special interest group on “Quality and trust in industrial CFD”. Best practice guidelines. http://www.ercoftac.org

22.

Favre, J.N.: Resolution du problème inverse par petites perturbations d’un écoulement potentiél incompressible. Dissertation, EPF Lausanne (1988)

23.

Ferziger, J.H.: Review: Simulation of incompressible turbulent flows. J. Compo. Phys. 69(1), 1–48 (1987)CrossRef

24.

Ferzinger, J.H., Peric, M.: Computational methods for fluid dynamics. Springer, Berlin (1997)

25.

Franc, J.P., et al.: La Cavitation. Presses Universitaires Grenoble, Mechanismes physiques et aspects industriels (1995)

26.

Fraser, S.M., et al.: Improved k-ε-modeling of impeller flow performance of a mixed-flow pump under off-design operating states. Proc. IMechE. 207, 219–229 (1993)CrossRef

27.

Freitas, C.J.: Journal of Fluids Engineering editorial policy statement on the control of numerical accuracy. ASME. J. Fluids Engng. 115, 339–340 (1993)CrossRef

28.

Freitas, C.J.: Perspective: Selected benchmarks from commercial CFD codes. ASME. J Fluids Engng. 117, 208–218 (1995)CrossRef

29.

Ginter, F.: Berechnung der instationären, turbulenten Strömung in hydraulischen Strömungsmaschien. Dissertation, TU Stuttgart, 1997, Mitteilung Nr 12 Inst für Strömungsmechanik und hydraulische Maschinen

30.

Ginter, F., Staubli, T.: Performance discontinuity of a shrouded centrifugal pump impeller. IMech. Conf., S. 1027–1049 (1999)

31.

Ginter, F., et al.: Entwicklung eines Pumpenzulaufkrümmers mit Hilfe der Strömungsberechnung. Pumpentagung Karlsruhe B5 (1992)

32.

Goto, A.: Study of internal flows in a mixed-flow pump impeller at various tip clearances using 3D viscous flow computations. ASME Paper 90-GT-36

33.

Goto, A.: Numerical and experimental study of 3D flow fields within a diffuser pump stage at off-design condition. ASME FED. 227, 1–9 (1995)

34.

Göde, E.: 3-dimensional flow simulation in a pump-turbine. ASME FED 86, 29–34 (1989)

35.

Graf, E.: Analysis of centrifugal impeller BEP and recirculating flows: Comparison of quasi3D and Navier-Stokes solutions. ASME Pumping Machinery Symp. S. 235–245 (1993)

36.

Graf, E. et al.: Three-dimensional analysis in a multi-stage pump crossover diffuser. ASME Winter Annual Meeting, S. 22–29 (1990)

37.

Greim, R. et al.: Berechnung dreidimensionaler Strömung in Pumpenlanfrädem. Pumpentagung Karlsruhe B6 (1992)

38.

Guide for verification and validation of computational fluid dynamics solutions. AIAA Guide G-077-l998

39.

Gugau, M.: Beitrag zur Validierung der numerischen Berechnung von Kreiselpumpen. Dissertation, TU Darmstadt (2004)

40.

Gülich, J.F.: Berechnung von Kreiselpumpen mit Navier-Stokes-Verfahren – aus der Sicht des Anwenders. Forsch. Ing. Wes. 60, 307–316 (1994)CrossRef

41.

Gülich, J.F., Favre, J.N., Denus, K.: An assessment of pump impeller performance predictions by 3D-Navier-Stokes calculations. ASME FEDSM97-334l (1997)

42.

Hansen, T.: Comparison of steady-state and transient rotor-stator interaction of an industrial centrifugal pump. CFX Users conference (2001)

43.

Hildebrandt, T.: Weiterentwicklung von 3D Navier-Stokes-Strömungsrechenverfahren zur Anwendung in hochbelasteten Verdichter- und Turbinengittern. Dissertation Universität der Bundeswehr, München (1998)

44.

Hirschi, R.: Prédiction par modélisation numerique tridimensionelle des effects de la cavitation à poche dans les turbomachines hydrauliques. Dissertation, EPF Lausanne (1998)

45.

Holbein, P.: Berechnung dreidimensionaler reibungsbehafteter inkompressibler Innenströmungen. Dissertation, TU Hannover (1993)

46.

Howard, J.H.G., et al.: Flow analysis in a spiral inducer impeller. ASME Paper 93-GT–227

47.

Laccarino, G.: Predictions of a turbulent separated flow using commercial CFD codes. ASME. J. Fluids Engng. 123, 819–828 (2001)CrossRef

48.

Kamemoto, K., et al.: Analysis of unsteady characteristics of flows through a centrifugal pump impeller by an advanced vortex method. IAHR Symp. Valencia, S. 729–738 (1996)

49.

Kaps, A.: Numerische Untersuchung der Strömung in einer radialen Kreiselpumpe mit dem Ziel einer wirkungsgrad- und lagerkraftoptimierten Gehäusegestaltung. Dissertation, TU Berlin (1996)

50.

Kaupert, K.A.: Unsteady flow fields in a high specific speed centrifugal impeller. Dissertation, ETH Zürich (1997)

51.

Kato, M., Launder, B.E.: The modeling of turbulent flows around stationary and vibrating square cylinders. 9th Symp on Turbulent shear flows, Kyoto, Paper 10-4 (1993)

52.

Kubota, A., Kato, H., Yamaguchi, H.: Finite difference analysis of unsteady cavitation on a two-dimensional hydrofoil. 5th Intnl. Conf. Numerical Ship Hydrodynamics, Hiroshima (1989)

53.

Lakshminarayana, B.: An assessment of computational fluid dynamic techniques in the analysis of turbomachinery. ASME. J. Fluids Engng. 113, 315–352 (1991)CrossRef

54.

Liu, W.: Modeling of swirling turbulent flows. Dissertation, TU Stuttgart (2001)

55.

Mack, R., Drtina, P., Lang, E.: Numerical prediction of erosion on guide vanes and in labyrinth seals in hydraulic turbines. Wear, S. 233–235, 685–691 (1999)

56.

Majidi, K.: Numerische Berechnung der Sekundärströmung in radialen Kreiselpumpen zur Feststofförderung. Dissertation, TU Berlin (1997)

57.

Menter, F.R.: A comparison of some recent eddy-viscosity turbulence models. Transactions ASME 118, 514–519 (1996)

58.

Meier-Grotian, J.: Untersuchungen der Radialkrft auf das Laufrad einer Kreiselpumpe bei verschiedenen Spiralgehäuseformen. Dissertation, TU Braunschweig (1972)

59.

Meschkat, S., Stoffel, B.: The local impeller head at different circumferential positions in a volute casing of a centrifugal pump in comparison to the characteristic of the impeller alone. 21st IAHR Symp on hydraulic machinery and systems, Lausanne (2002)

60.

Muggli, F., Holbein, P., Dupont. P.: CFD calculation of a mixed flow pump characteristic from shut-off to maximum flow: ASME FEDSM2001-18072 (2001)

61.

Noll, B.: Numerische Stromungsmechanik. Springer, Berlin (1993)CrossRef

62.

Oberkampf, W.L., Trucano, T.G.: Validation methodology in computational fluid dynamics. AIAA paper 2000–2549 (2000)

63.

Oberkampf, W.L., Trucano, T.G.: Verification and validation in computational fluid dynamics. Sandia National Laboratories report 2002-0529 (2002)

64.

Oertel, J.R.H., Laurien, E.: Numerische Strömungsmechanik. Springer, Berlin (1995)CrossRef

65.

Roache, P.J.: Verification and validation in computational science and engineering. Hermosa, Albuquerque

66.

Rodi, W.: Turbulence modelling for incompressible flows. Phys. Chem. Hydrodyn. 7(5/6), 297–324 (1986)

67.

Rodi, W.: Turbulence models and their application in hydraulics, 3. Aufl. Balkema, Rotterdam (1993)

68.

Rütten, F.: Large eddy simulation in 90°-pipe bend flows. J. Turbulence. 2, 3 (2001)CrossRef

69.

Schachenmann, A., Gülich, J.F.: Vergleich von drei Navier-Stokes Berechnungsverfahren mit LDA-Messungen an einem radialen Pumpenlaufrad. Pumpentagung Karlsruhe B7 (1992)

70.

Schachenmann, A., et al.: Comparison of 3 Navier-Stokes codes with LDA-measurements on an industrial radial pump impeller. ASME Fluids Engineering Conf. Los Angeles (1992)

71.

Schäfer, M.: Numerik im Maschinenbau. Springer, Berlin (1999)CrossRef

72.

Schilling, R.: A critical review of numerical models predicting the flow through hydraulic machinery bladings. 17th IAHR Symp. Beijing, GL2 (1994)

73.

Schilling, R.: Stand der numerischen Strömungssimulation bei hydraulischen Turbomaschinen. Festschrift zum Jubiläum 100 Jahre Turbomaschinen und 50 Jahre Fluidantriebstechnik an der TU Darmstadt (1997)

74.

Schönung, B.E.: Numerische Strömungsmechanik. Springer, Berlin (1990)CrossRef

75.

Song, C.C.S., et al.: Simulation of flow through Francis turbine by LES method. IAHR Symp. Valencia. S. 267–276 (1996)

76.

Song, C.C.S., et al.: Simulation of flow through pump-turbine. IAHR Symp. Valencia (1996)CrossRef

77.

Staubli, T., et al.: Verification of computed flow fields in a pump of high specific speed. ASME FED 227, 75–82 (1995)

78.

Staubli, T., Bissig, M.: Numerical parameter study of rotor side spaces. 21st IAHR Symp. Hydraulic Machinery and systems, Lausanne (2002)

79.

Steinmann, A.: Numerische und experimentelle Untersuchung der ein- und zweiphasigen Strömung in einem technisch belüfteten Abwasserteich. Dissertation, TU Berlin (2002)

80.

Stem, F., et al.: Comprehensive approach to verification and validation of CFD calculations Part 1: Methodology and procedures. ASME. J. Fluids Engng. 123, 793–802 (2001)CrossRef

81.

Tanabe, S., et al.: Turbulent flow analysis in a pump impeller. ASME Fluid Machinery Forum FED-Vol 119, 1–6 (1991)

82.

Torbergsen, E., White, M.F.: Transient simulation of impeller/diffuser interactions. ASME FEDSM97-3453 (1997)

83.

Tremante, A., et al.: Numerical turbulent simulation of the two-phase flow (liquid/gas) through a cascade of an axial pump. ASME FEDSM2001–18086

84.

Treutz, G.: Numerische Simulation der instationären Strömung in einer Kreiselpumpe. Dissertation, TU Darmstadt (2002)

85.

Visser, F.C.: Some user experience demonstrating the use of CFD for cavitation analysis and head prediction of centrifugal pumps. ASME FEDSM2001–18087

86.

Watzelt, C., et al.: Real-time design of hydraulic machinery bladings on a parallel environment system. ASME FED 227, 45–51 (1995)

87.

Wei-Chung, C. et al.: CFD as a turbomachinery design tool: Code validation. ASME FED 227, 67–74 (1995)

88.

Wilcox, D.C.: Turbulence Modeling for CFD. DCW Industries, La Canada, California (1998)

89.

Wu, C.H.: A general theory of three-dimensional flow in subsonic and supersonic turbomachines of axial, radial and mixed-flow types. Trans ASME 74, 1363–1380 (1952)

90.

Zangeneh, M., Goto, A.: Turbodesign: next generation design software for pumps. World Pumps. S. 32–36 (February 2003)

91.

Will B.C., Benra F.K., Dohmen H.J.: Investigation of the flow in the impeller side clearances of a centrifugal pump with volute casing. J Thermal Science 21(3), 197–208 (2012)

92.

Juckelandt K., Wurm F.H.: Applicability of wall-function approach in simulations of turbomachinery. GT 2015-42014

93.

Limbach, P., Skoda, R.: Numerical simulation and experimental validation for NPSH prediction of a low-specific speed centrifugal pump with a variation of cavitation model mass transfer parameters. 11th Pump User’s Intl Forum Düsseldorf 2016

94.

Juckelandt, K., Wurm, F.H.: Experimental and numerical analysis of a low-specific speed pump. 11th Pump User’s Intl Forum (2016)

95.

Höller, S., et al.: Low-specific speed mixed-flow API pump for single- and multistage usage. 11th Pump User’s Intl Forum (2016)

96.

Nishi, Y., et al.: Effect of blade outlet angle on radial thrust of single-blade centrifugal pump. 26th IAHR Symp Hydraulic Machinery and Systems (2012)

97.

Berten S., et al.: Experimental and numerical analysis of pressure pulsations and mechanical deformations in a centrifugal pump impeller. ASME AJK2011-06057

98.

Feng, J., Benra, F.K., Dohmen, H.J.: Numerical investigation on pressure fluctuations for different configurations of vaned-diffuser pumps. Intnl. J. Rotating Machinery (2007)

99.

Miyabe, M., et al.: Rotating stall behavior in a diffuser of a mixed-flow pump and its suppression. ASME FEDSM-2008-55132

100.

Schiffer, J., et al.: Performance analysis of a single-blade impeller based on unsteady 3D numerical simulation. 11th Pump User’s Intl Forum Düsseldorf (2016)

101.

Lechler, S.: Numerische Strömungsberechnung. Springer, Berlin (2018)CrossRef

102.

ANSYS CFX Theory Guide (internet) www.sharcnet.ca/Software/Ansys/16.2.3

103.

Chatagny, L., Berten, S.: Challenges and open questions in cavitation simulations on centrifugal pump applications. 11th Pump User’s Intl Forum Düsseldorf 2016. L01-046.

104.

Liu, H., Ding, J., et al.: Numerical research on hydraulically generated vibration and noise of a centrifugal pump volute with impeller outlet width variation. Mathematical problems in Engineering. 2014, article ID 620389 Hindawi

105.

Liu, H., et al.: Investigation into transient flow in a centrifugal pump with wear ring clearance variation. Advances in mechanical engineering. 2014, article ID 693097 Hindawi

106.

Wang, Y., et al.: Applicability of turbulence models to low-specific speed centrifugal pump. 26th IAHR Symp. (2012)

107.

Spence, R., Amaral-Teixeira, J.: Investigation into pressure pulsations in a centrifugal pump using numerical methods supported by industrial tests. Computers & Fluids 37, 690–704 (2008)CrossRef

108.

Roclawski, H.: Numerische und experimentelle Untersuchungen an einer radialen Kreiselpumpenstufe mit minimalem Stufendurchmesser. Dissertation, TU Kaiserslautern (2008)

109.

Si, Q., et al.: Numerical investigation of pressure fluctuations in a centrifugal pump volute based on SAS model an experimental validation. Advances in Mechanical Engineering, (2014)

110.

Roclawski, H., Hellmann, D.H.: Numerical simulation of a radial multistage centrifugal pump. AIAA 2006-1428

111.

Menter, F.R.: Best practice: Scale-resolving simulations in ANSYS CFD. Version 2, (2015)

112.

Li, X., et al.: Experimental and numerical investigations of head-flow curve instability of a single-stage centrifugal pump with volute casing. Proc. IMechE Part A J. Power and energy (2016)

113.

Denton, J.D.: Some limitations of turbomachinery CFD. ASME GT2010-22540

114.

Fleder, A.: Numerische und experimentelle Untersuchung des Einflusses wichtiger Geometrieparameter auf die Performance von Seitenkanalpumpen unter Berücksichtigung der Strömungsverluste. Thesis TU Kaiserslautern (2015)

115.

Fecarotta, O., et al.: Preliminary development of a method for impact erosion prediction in pumps running as turbines. MDPI proceedings 2, 680 (2018)

Title: Numerische Strömungsberechnungen
Author: Johann Friedrich Gülich
Publisher: Springer Berlin Heidelberg
Book: Kreiselpumpen
Print ISBN: 978-3-662-59784-2

Electronic ISBN: 978-3-662-59785-9

Copyright Year: 2020
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-662-59785-9_8