CFD-Analysis of the flow through a dental air turbine at standstill of the rotor

Abstract

Die Intention dieser Arbeit ist die Entwicklung eines CFD-Modells der bestehenden Dentaldruckluftturbine RK − 97 von W&H Dentalwerk Bürmoos. Sie soll den Fluidstrom mit statischem Rotor repräsentieren. Zur Validierung der Ergebnisse werden Experimente durchgeführt. Ziel der Analyse ist es, einen großen Bereich des Leistungsspektrums der Turbine abzubilden. Aus diesem Grund werden die Zustandsbedingungen so gewählt, dass ein zuverlässiges Gesamtbild der RK − 97 gebildet werden kann. Das CFD-Modell soll anschließend bei W&H Dentalwerk Bürmoos für weitere Untersuchungen bezüglich Geometrie und Randbedingungen genutzt werden, um den Wirkungsgrad der Dentaldruckluftturbine zu steigern. Um sich an die komplexe Geometrie der Dentaldruckluftturbine anzunähern und um bestimmte Strömungsgebiete und -phänomene im vorhinein zu untersuchen, werden drei Modelle entwickelt. Analysiert wird das Modell einer Lavaldüse, eines Freistrahls auf eine ebene Platte und eines Freistrahls aus der Originalgeometrie der Düse auf eine ebene Platte. Speziell auftretende Strömungsphänomene im Düsenbereich können dadurch im Voraus untersucht werden und die Methodik der CFD-Modellierung kann schrittweise validiert werden. Um die Vernetzung der Originalgeometrie nicht unnötig zu erschweren werden einige Vereinfachungen in der Geometrie der Dentaldruckluftturbine angenommen. Bereiche in der Hauptströmung und in der Nähe von Strömungsablösungen werden bewusst unverändert gelassen, um die Ergebnisse nicht zu beeinflussen. Die überarbeitete Geometrie wird anschließend nach den Anforderungen und Qualitätskriterien der Literatur und der verwendeten Software vernetzt. Im Setup wird das physikalische Modell definiert und mit Hilfe von Randbedingungen auf das vernetzte Modell übertragen. Zur Validierung der CFD-Simulation werden die beiden Turbulenzmodelle Standard − k − ε und k − ω − SST verwendet. Zur weiteren Validierung der numerischen Lösung wird ein Prüfstand entwickelt, womit experimentelle Daten der RK − 97 gemessen werden. Zur Verlässlichkeit und Reproduzierbarkeit der Ergebnisse werden die Messungen bei verschiedenen Eingangsdrücken, Rotoren und unter variierenden Luftverhältnissen wiederholt. Sowohl die Experimente, als auch die Simulation liefern in sich stimmige und vertrauenswürdige Ergebnisse. Der Vergleich beider Ansätze macht deutlich, dass die experimentell ermittelten Daten durch das Standard − k − ε Modell gut abgebildet werden können. Die Abweichung beträgt weniger als 7% mit wenigen Ausreißern. Alle getesteten Einlassdrücke von 2, 3, 4 and 4.5 bar weisen gute Konvergenz und Repräsentation der Experimente auf. Auch das k − ω − SST Modell liefert Werte im Bereich der Experimente mit einer maximalen Abweichung von 14%, abgesehen von einem Ausreißer. Bestimmte Winkelpositionen des Rotors zeigen jedoch Konvergenzprobleme auf. Für beide Modelle werden Druckwerte und Durchflussmengen sehr gut abgebildet, während die Messungen des Stillstandsdrehmoments aufgrund der Kupplung zwischen Rotor und Drehmomentsensor geringe Probleme der Reproduzierbarkeit aufgezeigt hat. Letztendlich kann die Dentaldruckluftturbine bei statischem Rotor durch das CFD-Modell sehr gut dargestellt werden. Anforderungen an die Netzqualität, Plausibilität des physikalischen Modells, Erfüllung der Konvergenzkriterien und Reproduzierbarkeit der experimentellen Daten konnten erfüllt werden. Das Modell gibt verlässliche Auskunft über die Druckverteilungen, Durchflussmengen und das Stillstandsdrehmoment und kann als Basis für weitere Untersuchungen der Dentaldruckluftturbine verwendet werden.

The task of this thesis is to generate a CFD model of the dental air turbine RK − 97 manu- factured by W&H Dentalwerk Bu ̈rmoos which represents the steady state of the rotor. The numerical model has to be validated with experimental data. The performance investigation aims to constitute a wide range of the turbine behavior as good as possible. Therefore, a variety of relevant conditions are applied to create an appropriate overall picture of the den- tal air turbine. The numerical model will be used at W&H Dentalwerk Bu ̈rmoos for further investigation on geometry and boundary conditions in order to increase efficiency. In order to slowly approach the complex model of the dental air turbine and to investigate particular parts, three small models are developed. Analyzed is a model of a Laval nozzle, an impinging jet and a jet from the original nozzle onto a flat plate. They are used to analyze phenomena in the nozzle region and to get a feeling for the complex geometry. For the original model of the dental air turbine, selected simplifications are made within the geometrical reworking of the model, while areas along the center flow and at separation points remain unaffected. The reworked geometry is meshed according to the requirements and quality criteria of lit- erature and software. Later in the setup, a physical model is developed with the help of scientific literature and experimental data. The standard k − ε and the k − ω − SST model are chosen to validate the simulation model itself. Also, a measuring device is developed to validate the numerical model with experimental data. The measurements are repeated with several relevant inlet pressures, different rotors and varying air compositions to ensure the reliability of the data. The results of experimental and simulation approach show good quality and reliability itself. The comparison of simulation and experimental data show a very good approximation of the experiments by the standard k − ε model with a deviation of less than 7 % concerning pressure and torque. All tested inlet pressures of 2, 3, 4 and 4.5 bar show good convergence and representation of the experiments. The k − ω − SST model also delivers results close to the experimental data with a maximum deviation of 14%. Specific angular positions result in convergence problems for this model. For both models pressure values and volume flow rates are captured very good, while for the measurements of the standstill torque some reproducibility issues due to the coupling were brought to light. In conclusion, the dental air turbine at steady state can be accurately represented consider- ing mesh quality requirements, reasonability of the physical model, convergence criteria and reproducibility of the experimental data used for comparison. The model provides reliable information on pressure distribution, fluxes and standstill torque and can be used as a basis for further investigations on the dental air turbine.