CFD-Simulation von Kavitationserscheinungen in einer Radialpumpe

Abstract

Aufgrund des flexiblen Betriebs von hydraulischen Maschinen abseits des Auslegungspunktes werden Kavitationserscheinungen zu einem immer wichtigeren Thema. Daher ist es essentiell, die Kavitationsart und die Positionierung mithilfe von CFD-Simulationen zu erfassen. Am Laborprüfstand der Technischen Universität Wien wurden daher Kavitationsmessungen an einer Radialpumpe durchgeführt und fotografisch festgehalten. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Modellierung der Radialpumpenkomponenten sowie der Aufbereitung des Modells für die Durchführung numerischer Strömungsberechnungen mithilfe kommerzieller Software Ansys. Für die Auswahl eines passenden Berechnungsnetzes wird im Vorfeld eine Netzunabhängigkeitsstudie durchgeführt. Nach der Definition dreier Betriebspunkte mit jeweils zunehmender Kavitation werden die zweiphasigen stationären sowie transienten Simulationen ausgeführt. Dazu wird das Zweiphasen- Kavitationsmodell des Softwarepaktes angewendet. Bei der Auswertung werden die Simulationsergebnisse für die Förderhöhe mit den gemessenen Werten am Laborprüfstand verglichen. Zur anschaulichen Darstellung der Kavitationserscheinungen erfolgt abschließend eine Gegenüberstellung der Kavitationsbilder vom Laborversuch mit jenen aus der Simulation. Die Ergebnisse der simulierten Förderhöhe liegen dabei erwartungsgemäß etwas höher (ca. 4-5%) als die Messwerte. Die Kavitationsgebiete werden durch die CFD für alle Betriebspunkte sehr realitätsgetreu abgebildet.

Due to new requirements in terms of flexibilty, hydraulic machines are often operated at off-design conditions. In this operation state cavitation effects become more and more important. Therefore, it is essential to detect the type and the position of cavitation using CFD- simulations. For this reason, cavitation measurements were carried out and captured photographically in a radial pump on the hydraulic test rig at the Vienna University of Technology. This thesis deals with modelling a radial pump and performing the corresponding CFD-simulations at three diffrent operating points using the commercial software Ansys. In order to select a suitable grid for the simulations a grid convergence study is conducted in advance. To carry out the steady- state and transient two- phase simulations, the cavitation model of the software package is used. In the evaluation, the calculated head results and the cavitation development are compared with the measured values from the lab test. As expected, the results for the simulated head are slightly higher (approx. 4-5 %) compared to the measured values. The simulation captures the cavitation areas very realistically for all operating points.