CFD simulation of a rotating fan system with OpenFOAM

Abstract

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der numerischen Simulation eines Radialventil- ators mittels Open-Source Software. Der Ventilator wurde sowohl mittels inkom- pressiblen als auch kompressiblen Modellen simuliert. Eine Besonderheit des Vent- ilator Systems ist, dass hierbei der Ein- und Auslass relative zum Rotor mit rotieren und nicht wie üblicherweise statisch sind. Alle zu einer erfolgreichen Simulation nötigen Schritte, vom Pre- zum Postpro- cessing wurden mittels freier Open-Source Software durchgeführt, was wesentlich zur Abgrenzung dieser Arbeit von anderen beiträgt. Mehrere Softwarepakete und Netzerstellungs Strategien wurden untersucht und kombiniert um eine zufrieden- stellende Grenzschicht Auflösung zu erreichen. Ein großer Teil der Arbeit ist der Abhandlung der zugrunde liegenden Gleichungen gewidmet, da im Zuge der An- passung und Verbesserung des OF Standard Solver für kompressible Strömungen die Energiegleichung verändert wurde um Temperaturänderungen aufgrund von Druck- änderungen berücksichtigen zu können. Im Weiteren wird der Diskussion von ausgewählten Resultaten, vorwiegend kom- pressiblen, sowie den Randbedingungen für Geschwindigkeit und Druck am Auslass viel Platz eingeräumt. Alle durchgeführten Simulationen sind komplett dreidimensional, auf eine Ver- einfachung unter Ausnutzung von rotatorischer Periodizität wurde mit gutem Grund verzichtet. Weiters wurde eine Parametervariation durchgeführt um die charakter- istische Kennlinie des Wirkungsgrades über dem Massenstrom zu erhalten.

The following work covers the numerical simulation of the highly turbulent flow in a centrifugal turbomachine system with the open source Computational Fluid Dynamics ( CFD ) framework OpenFOAM ( OF ). Compressibility is taken into account as well as the rotation of the usually static in- and outlet parts. The scalar energy equation of the rhoSimpleFoam solver will be completely rewritten and thoroughly tested to model the desired temperature change through compression. All the calculation, including the pre- and post processing step are carried out with free and open- source software. A detailed view is directed to the prepro- cessing step since the creation of an appropriately refined boundary layer ( bl ) was found to be a major hurdle and many software packages and meshing strategies have been tried. The second big part is the discussion of the underlying equations and the adaption of the scalar energy equation. In the last section the found results for multiple different models are discussed with detailed investigation of the outlet Boundary Conditions ( BCs ). The simulations are entirely three dimensional without the use of any symmetry or periodicity simplifications. One stationary model was further run with varying mass flow to get the performance characteristic of the fan system. Transient simula- tions were carried out, but the results are not completely satisfying.