Qualitätssicherung für numerische Berechnungen – Beispiel

Qualitätssicherung für numerische Berechnungen – Beispiel
Wärmeübertrager
Veröffentlichung der Tintschl BioEnergie und Strömungstechnik AG
Christoph Lodes
Serhat Samar
Dr.-Ing. Rolf Sieber
Februar 2016
Kurzfassung
Mit den Zielen, das Vertrauen in numerische Berechnungen zu vertiefen und die Möglichkeiten dieser
Methoden aufzuzeigen, wird von der Tintschl BioEnergie und Strömungstechnik ein Vergleich der
strömungsmechanischen Simulationsergebnisse mit den Ergebnissen aus der Veröffentlichung von
Özden et al.1 gewagt. Bei der Untersuchung eines Rohrbündelwärmetauschers zeigen sich sehr gute
Übereinstimmungen bei der Betrachtung des Wärmeübergangs und des Druckverlusts. Darüber
hinaus liefert die Kopplung der Strömungsmechanik mit der Strukturmechanik weitere wertvolle
Einblicke in den Wärmetauscher.
Hintergrund
Mit dem Einsatz von numerischen Berechnungen in der Entwicklung geht immer die Notwendigkeit
einer regelmäßigen Verifikation und Validierung der Simulationsergebnisse einher2. Neben harten
Fakten, wie Fehleinschätzungen, die aus fehlerhaften Aussagen von Simulationen3 entstehen können,
dient die Verifikation und die Validierung darüber hinaus zur Entstehung von Vertrauen in die
eingesetzten Methoden. Vor allem eine sinnvolle Regelmäßigkeit in der Verifikation und Validierung
liefert die nötige Grundlage für eine belastbare Prognosefähigkeit4 und Aussagekraft.
Der Einsatz der Simulation kann hierbei sowohl im Vergleich zu wissenschaftlicher Theorie (z.B. bei
Möller et al.5), als auch im Vergleich zu aufgenommen Messdaten oder in Kombination mit statischen
Versuchen, mit dem Ziel der schnelleren und effizienteren Entwicklung (z.B. bei Strehlow et al. 6)
erfolgen. Abgerundet wird die Aussagekraft der Simulationsergebnisse durch ein tiefes Verständnis
der physikalischen Phänomene sowie langjährige Erfahrung in der numerischen Modellierung7.
Vor dem Hintergrund der anspruchsvollen Beschaffung von realen Messdaten und der Problematik
von nicht freigegeben Referenzdaten, dienen vor allem wissenschaftliche Veröffentlichungen, die
einen Vergleich der Simulationsergebnisse mit der Theorie erlauben, als geeignete Basis. Dieser Weg
wird im Rahmen dieser Veröffentlichung auch von der Tintschl BioEnergie und Strömungstechnik AG
beschritten. Die numerische Strömungsberechnung eines Rohrbündelwärmeübertragers mit
1
Özden et al, Shell side CFD Analysis of a Small Shell-and-tube Heat Exchanger, 2010
Rabe et al., Verifikation und Validierung für die Simulation in Produktion und Logistik, 2008
3
Rabe et al., Verifikation und Validierung für die Simulation in Produktion und Logistik, 2008
4
Goll et al., Kontinuierliche Validierung hydrodynamischer und morphodynamischer Modelle mit physikalischen
Modellversuchen, 2013
5
Möller et al., Einflussgrößen und numerische Untersuchungen zum Druckverlust oszillierender Strömungen, 2015
6
Strehlow et al., CFD-Simulationen in der Entwicklung von Hochleistungs-Wärmeübertragern, 2008
7
Goll et al., Kontinuierliche Validierung hydrodynamischer und morphodynamischer Modelle mit physikalischen
Modellversuchen, 2013
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Tintschl BioEnergie und Strömungstechnik AG, Goerdelerstraße 21, 91058 Erlangen, phone: +49 (9131) 81249-730
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Umlenkblechen wird mit den Ergebnissen von Özden et al.8 verglichen. Die Genauigkeit und die
Übertragbarkeit der Ergebnisse bilden so Vertrauen in ähnliche numerische Berechnungen und
können das weitere Vorgehen bestimmen9. Im Anschluss an die erfolgreich durchgeführte
Strömungssimulation können die Ergebnisse als Verknüpfungspunkt für weitere Auslegungen oder
Untersuchungen sein. In dieser Veröffentlichung wird dazu die Strömungsmechanik mit der
Strukturmechanik kombiniert und thermische Verformungen mittels FEM-Simulation untersucht.
Strömungssimulation
Im Rahmen der Veröffentlichung von
Özden et al.10 wurde ein kleiner
Rohrbündelwärmetauscher
mit
einer
variierenden Anzahl an Umlenkblechen mit
dem Simulationsprogramm ANSYS Fluent
6.3 untersucht und mit theoretischen
Auslegungen verglichen, von denen mit der
Bell-Delaware Methode die größte
Übereinstimmung gefunden wurde. Genau
dieser Wärmetauscher wurde von der
Tintschl BioEnergie und Strömungstechnik
AG mit dem Simulationsprogramm ANSYS
CFX
16.0
nachgerechnet
(siehe
nebenstehende Abbildung). Das Wasser
tritt
von
unten
mit
einer
Eintrittstemperatur von 300 K in das
Strömungsgebiet
ein,
passiert
die
Umlenkbleche mit sieben vertikalen
Rohren und verlässt das Strömungsgebiet
oben am Auslass.
Modell des Wärmeübertragers mit 6 Umlenkblechen und
Randbedingungen
Im Vergleich zu den gewählten Sollwerten von Özden et al.11 erzielt die Tintschl BioEnergie und
Strömungstechnik AG sehr gute Übereinstimmungen für die Simulation verschiedener
Umlenkblechabstände und variierender Massenströme (Siehe Tabelle im Anhang). So liegt die
Abweichung der übertragenen Wärmemenge bei maximal 5 – 10 %. Ferner weißen die
Austrittstemperaturen mit maximal 1 % Abweichung eine sehr genaue Übereinstimmung auf.
Während der Berechnung und Auswertung der verschiedenen Variationen, konnte die Tintschl
BioEnergie und Strömungstechnik AG, ähnlich den Erkenntnissen von Özden et al.12, eine offenbare
Sensitivität der Ergebnisse vom gewählten Turbulenzmodell erkennen.
Die folgenden Abbildungen zeigen für den Massenstrom von 0.5 kg s^-1 Stromlinien für verschiedene
Blechteilungen. Die Stromlinien sind dazu mit der Geschwindigkeit eingefärbt.
8
Özden et al, Shell side CFD Analysis of a Small Shell-and-tube Heat Exchanger, 2010
Rabe et al., Verifikation und Validierung für die Simulation in Produktion und Logistik, 2008
10
Özden et al, Shell side CFD Analysis of a Small Shell-and-tube Heat Exchanger, 2010
11
Özden et al, Shell side CFD Analysis of a Small Shell-and-tube Heat Exchanger, 2010
12
Özden et al, Shell side CFD Analysis of a Small Shell-and-tube Heat Exchanger, 2010
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Strömungslinien bei 6 Umlenkblechen und bei einem
Massenstrom von 0,5 kg s^-1
Strömungslinien bei 8 Umlenkblechen und bei einem
Massenstrom von 0,5 kg s^-1
Strömungslinien bei 10 Umlenkblechen und bei einem
Massenstrom von 0,5 kg s^-1
Strömungslinien bei 12 Umlenkblechen und bei einem
Massenstrom von 0,5 kg s^-1
Strukturmechanik
Als Besonderheit, die über die Tätigkeiten der Veröffentlichung von Özden et al.13 hinaus geht,
können die Simulationsergebnisse der Strömungsberechnung auf eine Struktursimulation übertragen
werden. In diesem Sinne dienen die Temperatur- und Druckverteilung der Rohrbündelberechnungen
als Eingabeparameter für die strukturmechanische Berechnung. Als Ausgabe liefert diese Kopplung
beispielsweise die Verformung der Umlenkbleche (siehe Tabelle im Anhang). In den folgenden
Abbildungen ist dazu die Verformung graphisch umgesetzt dargestellt.
13
Özden et al, Shell side CFD Analysis of a Small Shell-and-tube Heat Exchanger, 2010
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Verformungen der 12 Umlenkbleche bei einem Massenstrom von 2 kg s^-1 .
Vergrößerte Darstellung der maximalen Verformungen bei 12 Umlenkblechen bei einem
Massenstrom von 2 kg s^-1.
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Literaturhinweise
Ender Özden/ Ilker Tari, "Shell side CFD Analysis of a Small Shell-and-tube Heat Exchanger”, Energy
Conversion and Management, Vol. 51, No. 5, pp. 1004-1014 (2010), Ankara, 2010
Markus Rabe/ Sven Spieckermann/ Sigrid Wenzel - Verifikation und Validierung für die Simulation in
Produktion und Logistik -Vorgehensmodelle und Techniken, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, 2008
Dr.-Ing. Andreas Strehlow/ Dr.-Ing. Jörg Leuschner/ Dr.-Ing. Jens Scheffermann - CFD-Simulationen in
der Entwicklung von Hochleistungs-Wärmeübertragern, MTZ - Motortechnische Zeitschrift, Ausgabe
04/2008, Vieweg Verlag, Seite: 334-338
T. Möller/ U. Sénéchal - Einflussgrößen und numerische Untersuchungen zum Druckverlust
oszillierender Strömungen, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, Forschung im Ingenieurwesen,
Ausgabe 01-02/2015
Annalena Goll/ Rebekka Kopmann/ Manuela Baron - Kontinuierliche Validierung hydrodynamischer
und morphodynamischer Modelle mit physikalischen Modellversuchen, WasserWirtschaft, Seite: 2833, Vieweg Verlag, Ausgabe 12/2013
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Anhang
In der folgenden Tabelle sind die Ergebnisse der gekoppelten (CFD + FEM) Berechnung eines
Rohrbündelwärmetauschers dargestellt. Dazu werden die Werte der Tintschl BioEnergie und
Strömungstechnik AG (blau) und von Özden et al.14 (gelb) verglichen und zusätzliche die Verformung
der Umlenkbleche angegeben.
14
Özden et al, Shell side CFD Analysis of a Small Shell-and-tube Heat Exchanger, 2010
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