Kurztitel: FlowFieldControl
Projektlaufzeit: 01.08.2024 – laufend
Fördergeber: BMWK
In zahlreichen Branchen und Anwendungen sind Pumpen von zentraler Bedeutung für die Förderung von Fluiden. Sie finden unter Anderem Einsatz in der Gebäudetechnik, Wasser- und Abwasserversorgung, Energieerzeugung, Schifffahrt, Landwirtschaft sowie in industriellen Prozessanlagen. Trotz ihrer Verbreitung werden diese Pumpen oft nicht im energieeffizientesten Betriebspunkt betrieben, was zu einer Reihe von Nachteilen führen kann. Ein solcher suboptimaler Betrieb von Pumpen kann zu einem erheblichen Anstieg des Energieverbrauchs führen, was wiederum die Betriebskosten erhöht und die Umweltbelastung verstärkt. Im Besonderen führt die Bildung von Kavitationsblasen zu erheblichen Schäden an den Pumpenkomponenten, was die Wartungs- und Reparaturkosten erhöht, die Ausfallzeiten verlängert und schließlich die Lebensdauer der Pumpe verkürzt.
Basierend auf den Erkenntnissen eines vorangegangenen Forschungsvorhabens (siehe Echtzeitfähige digitale Zwillinge von Kreiselpumpen), zielt dieses Vorhaben, das durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) im Rahmen der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) gefördert wird, darauf ab, eine innovative Regelungsstrategie für Kreiselpumpen zu entwickeln, die auf echtzeitfähigen digitalen Zwillingen basiert. Das Ziel besteht darin, eine optimale Betriebsführung durch echtzeitfähige, strömungsfeldaufgelöste Regelung zu ermöglichen, die die Kavitationsbildung in Pumpen verhindert.
Die Entwicklung einer solchen Regelung erfordert detaillierte Kenntnisse über die orts- und zeitaufgelösten sowie parameterabhängigen Volumenströme und Druckfelder innerhalb der Pumpe. Diese Informationen sind jedoch aufgrund der komplexen Strömungsverhältnisse und der begrenzten Zugänglichkeit der Pumpe für direkte Messungen nur schwer zu erlangen. Daher müssen innovative Methoden entwickelt werden, um diese Herausforderung zu überwinden. Um dies zu erreichen, werden im Rahmen dieses Forschungsvorhabens hochauflösende Strömungssimulationsmodelle aus der numerischen Strömungsmechanik (computational fluid dynamics, CFD) mittels Hauptkomponentenzerlegung und nichtlinearen Interpolationsmethoden auf parametrische reduzierte Modelle heruntergebrochen, die für den Einsatz auf Mikrocontrollern in Pumpen geeignet sind. Das Forschungsvorhaben wird in enger Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Regelungstechnik und Systemtheorie (LRS) der Ruhr-Universität Bochum durchgeführt.
Die Entwicklung einer solchen Regelung erfordert detaillierte Kenntnisse über die orts- und zeitaufgelösten sowie parameterabhängigen Volumenströme und Druckfelder innerhalb der Pumpe. Diese Informationen sind jedoch aufgrund der komplexen Strömungsverhältnisse und der begrenzten Zugänglichkeit der Pumpe für direkte Messungen nur schwer zu erlangen. Daher müssen innovative Methoden entwickelt werden, um diese Herausforderung zu überwinden. Um dies zu erreichen, werden im Rahmen dieses Forschungsvorhabens hochauflösende Strömungssimulationsmodelle aus der numerischen Strömungsmechanik (computational fluid dynamics, CFD) mittels Hauptkomponentenzerlegung und nichtlinearen Interpolationsmethoden auf parametrische reduzierte Modelle heruntergebrochen, die für den Einsatz auf Mikrocontrollern in Pumpen geeignet sind. Das Forschungsvorhaben wird in enger Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Regelungstechnik und Systemtheorie (LRS) der Ruhr-Universität Bochum durchgeführt.
Die Berechnung kavitierender Pumpenzustände erfordert mehrphasige CFD-Simulationen (Computational Fluid Dynamics). Zusätzlich werden einphasige Approximationen dieser Kavitationszustände durch ein aus den einphasigen Druckfeldern abgeleitetes skalares Kavitationskriterium entwickelt. Letzteres dient als Grundlage für die Modellreduktion, während die mehrphasigen Simulation als Referenzergebnis diesen. Für die ein- und mehrphasigen CFD-Simulationen wird am HSM ein in-house-modifizierter Solver auf Basis von OpenFOAM verwendet.
Zur Auflösung der turbulenten Fluktuationen werden skalenadaptive Simulationen durchgeführt, da zum einen eine Large-Eddy-Simulation bei den hohen, in Pumpen vorliegenden Reynolds-Zahlen sehr aufwendig wäre. Zum anderen wären statistische Turbulenzmodelle zu ungenau. Zur Berechnung des Phasenübergangs kommen Massentransfer-Kavitationsmodelle zum Einsatz. Dabei werden die Koeffizienten von Verdampfung und Kondensation so erhöht, dass thermodynamisches Gleichgewicht approximiert wird.
Um eine erfolgreiche Übertragung der Forschungsergebnisse in die Industrie zu gewährleisten, werden Workshops und Schulungen durchgeführt. Ein Best-Practice-Guide wird entwickelt, der die Anwendung der entwickelten Methoden für Unternehmen erleichtert. Dies unterstützt eine reibungslose Implementierung in industriellen Umgebungen und ermöglicht eine nachhaltige Nutzung der Forschungsergebnisse.
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Letzte Änderung: 28. Feb. 2025
