Auswertung der lokalen ENTROpieproduktion aus 3D-Strömungssimulationsergebnissen zur lokalen Analyse von Verlusten in KreiselPUMPen und Aufdeckung von Wirkungsgradpotentialen in Teil- und Überlast.

Kurztitel: ENTROPUMP: Lokale Strömungsverlustanalyse in Kreiselpumpen
Projektlaufzeit: 01.03.2025 – laufend
Fördergeber: BMWE

Die Konstruktion und Fertigung von hoch-energieeffizienten Kreiselpumpen trägt wesentlich zum Erhalt und Ausbau der Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Pumpenindustrie bei. Der hydraulische Wirkungsgrad erlaubt lediglich eine integrale Beschreibung der Auswirkung von Strömungsverlusten, ermöglicht aber keine Rückschlüsse auf ihre lokale Entstehung. Die Verfügbarkeit verbesserter CFD-Methoden ist die Schlüsselvoraussetzung dafür, dass KMU die Energieeffizienz im Teil- und Überlastbetrieb ihrer Kreiselpumpen durch zielgerichtete Identifikation und Vermeidung von Verlustspots weiter erhöhen können. 
Daher soll die irreversible Entropieproduktion als Post-Processing von 3D Strömungssimulationen an industrienahen Kreiselpumpen etabliert und validiert werden. In Teil- und Überlastbetrieb auftretende instationäre Strömungszustände werden durch eine zeitaufgelöste Verlustentstehung berücksichtigt. Eine exemplarische Klassifizierung instationärer Verlustmechanismen dürfte zukünftig die Möglichkeit bieten, bisher nicht sichtbare Optimierungspotentiale des hydraulischen Pumpendesigns zu erschließen.
Die Entropiemethode steht in engem Zusammenhang mit der turbulenten Dissipation, so dass ein -basiertes skalenadaptives Turbulenzmodell verwendet wird. Die ebenfalls wichtige Verlustentstehung in Wandgrenzschichten wird durch eine Entropie-Wandfunktion approximiert, die eine genaue lokale Verlustbewertung auch bei industrietypischer moderater Rechennetzgröße ermöglicht.

Die Implementierung und Transfer in den industriellen F&E-Prozess erfolgen auf Basis der lizenzkostenfreien Software OpenFOAM. Die Entropiemethode wird als Add-On in etablierte Workflows von KMU integriert und dort nach Projektende als standardisierter Verlustsensor in CFD-Simulationen angewendet. Die OpenFOAM-Implementierung kann auch als Vorlage für eine Implementierung in andere, z.B. kommerzielle CFD-Software dienen.

In Abbildung 1 ist beispielhaft die Umverteilung von Verlust-Spots von Teil- bis Überlast an der Spiralzunge einer Spiralgehäusepumpe dargestellt.