Ihr professioneller Dienstleister für  Strömungssimulationen Seit den letzten Jahren spielen CFD Berechnungen in der Entwicklung von Ventilatoren eine immer größere Rolle.  Allerdings stellen sich dem Entwickler im tatsächlichen Entwicklungs-prozess eines Unternehmens schon allein auf  aerodynamischem Gebiet eine Reihe von Schwierigkeiten entgegen, die durch CFD nur unter gewissen Umständen  beseitigt werden können. Diese sind vor allem:  • Vorauslegung • Wahl des Flügelprofils  • Wahl des Rechengitters  • Wahl des Turbulenzmodelles und dessen Parameter • Abweichungen zwischen der simulierten Geometrie und der Geometrie im tatsächlichen Betriebsfall  Da nach heutigem Standard CFD Programme bei einer hohen geforderten Genauigkeit „noch“ keine „Plug and Play“  Werkzeuge sind und, um die Vorteile einer auf Strömungs-Simulationen basierenden Entwicklung voll ausschöpfen zu  können, müssen CFD Berechnungen mit Bedacht eingesetzt werden, welches hohe Anforderungen an den Benutzer  stellen. Ein paar der Schwierigkeiten der CFD gestützten Entwicklung von Ventilatoren sollen im folgenden aus der  praktischen Sicht eines Unternehmens beleuchtet werden.  1. Einleitung  Die Entscheidung für die CFD gestützte Entwicklung von Ventilatoren unterliegt einem breit gefächerten Spannungs-  feld. Einige Faktoren dieses Spannungsfeldes sind:  • Marktanforderungen • kurzer Entwicklungszeiten • geringe Entwicklungsrisiken, • Versprechungen der Anbieter von CFD Software • innerbetriebliche Möglichkeiten Im Gegensatz zu den Randbedingungen von Strömungs-Simulationen innerhalb der wissenschaftlich orientierten  Umgebung einer Universität basiert die vorliegende Beschreibung primär auf den Erfahrungen innerhalb eines  gewinnorientierten Unternehmens. Das bedeutet die Realisierung eines neuen Produktes mit einem minimalen Zeit-  und Kostenaufwand steht dabei im Vordergrund und nicht das Ausloten des wissenschaftlich Erreichbaren.  2. Der Entwicklungsprozess  Die primäre Schwierigkeit bei der Entwicklung von Ventilatoren ist die große Menge an geometrischen Freiheitsgraden:  Durchmesserverhältnisse, Blattprofil, Schaufelverwindung, Verlauf der Profillänge und der Wölbung etc.. Da diese  Freiheitsgrade in Wechselwirkung miteinander stehen, würde eine vollständige Analyse aller Freiheitsgrade zu der  Abarbeitung einer vieldimensionalen Matrix führen. Da dieses in einem Unternehmen nur schwer durchführbar ist, wird  mit verschiedenen Methoden versucht, einen „Weg“ durch diese Matrix zu finden, der möglichst effizient zum „Design-  Target“ führt .  2.1. Start-Design  Sofern kein Ventilator zur Verfügung steht, der als Start-Design für die weitere Entwicklung des neuen Produktes  herangezogen werden kann, wird zu Beginn des Entwicklungsprozesses mit verschiedensten analytischen Methoden  versucht so viele geometrischen Parameter festzulegen wie möglich. Diese Methoden basieren zum großen Teil auf der  Analyse von Geschwindigkeitsdreiecken in Kombination mit der Bernoulli-Gleichung. Je nach Methode werden, um die  Geschwindigkeitsdreiecke aufstellen zu können, mehr oder weniger zulässige Annahmen über Geschwindigkeits-  Komponenten getroffen. Häufig zeigt sich bei späteren Messungen, dass diese Annahmen nur in Teilbreichen haltbar  sind. Außerdem verwenden viele dieser analytischen Methoden die Polaren des zu wählenden Blattprofils, welche die  Abhängigkeit des Auftriebes und des aerodynamischen Widerstandes vom Anströmwinkel beschreiben. Der  Anstellwinkel des Blattes, der zu diesem nur näherungsweise bekannt ist, bestimmt den Auftrieb des Profiles, der  wiederum den Volumenstrom bestimmt, der Einfluss auf den Anstellwinkel hat. Dadurch befindet man sich in einer  Iterationschleife, die zum Teil schwer zu lösen ist.  2.2. Blatt-Profil  Wie bereits gezeigt wurde, kommt der Wahl des Blattprofils eine besondere Bedeutung zu, da der Auftrieb und der  Widerstand des Blattes direkt die Eigenschaften (Volumenstrom, Drehmoment, etc.) des Ventilators bestimmen. Häufig  werden Profile aus Klassen wie z.B. Göttinger, NACA, Eppler etc. gewählt. Viele dieser Profilklassen entstammen der  Flugzeugentwicklung. Die Polaren dieser Profile sind für verschiede Reynolds-Zahlen experimentell bestimmt worden  und stehen in der Literatur zur Verfügung. Zum großen Teil zeichnen sich diese Profile nicht durch besondere  Leistungsfähigkeit aus, sondern werden darum häufig verwendet, da ihre Geometrie durch mathematische Gleichungen  beschreibbar ist. Um die gewählten Profile für den späteren Ventilator zu optimieren, können experimentelle Methoden  sowie auch Strömungs-Siumlationen eingesetzt werden. Im Falle von Simulationen ist darauf zu achten, dass komplexe  Vorgänge wie Umschlag laminar-turbulent, Ablöseblasen etc. hinreichend genau simuliert werden können, denn diese  Strömungseffekte haben einen starken Einfluss auf die Polaren des Profils und somit auf die letztendlichen  Eigenschaften des Ventilators. Viele kommerzielle CFD-Softwarepakete haben in diesem Bereich Schwächen. Es gibt  allerdings spezielle 2D Flügeldesign-Programme, die aus dem Flugzeugbau stammen, mit denen sehr effektiv diese  Simulationen durch geführt werden können. Doch welche Software auch zum Einsatz kommt, die Beurteilung der  berechneten Druckverteilung und Polaren bezüglich des Einsatzgebietes des Ventilators erfordert ein Höchstmaß  aerodynamischen Wissens, ohne das ist es nur schwer möglich mit einer Strömungs-Simulation ein Profil zu  optimieren.  2.3. CFD Einstellungen  Während nach der Vorauslegung des Ventilators und der Wahl des Profils (mit oder ohne Optimierung) in der  experimentellen Entwicklung der erste Prototyp gebaut wird, wird in der CFD basierenden Entwicklung nach den  bisherigen geometrischen Vorgaben die erste 3D Berechnung durchgeführt, um das Design zu überprüfen. Auch hier  stellen sich dem Entwickler bei der Durchführung dieser Simulation einige Hürden in den Weg. Nachdem die 3D-  Geometrie in den Computer übertragen wurde, beginnt die Phase der Gittergenerierung. In den meisten kommerziellen  Software Paketen gibt es halbautomatische Gittergenerierungs-Routinen. Doch um Gitter zu erstellen, die eine genaue  Simulation der Strömungseffekte in der Grenzschicht, die letztendlichen die Eigenschaften des Ventilators bestimmen  zu ermöglichen, sind diese Routinen meist ungeeignet. Je nach Turbulenzmodell (siehe weiter unten) sind gewisse  Anforderungen an das Rechengitter zu erfüllen. Dies gilt insbesondere für den dimensionslosen Gitterabstand an der  Oberfläche des Blattes y+. Die geforderten y+ Werte führen so zu sehr kleinen Gitterzellen in diesem Bereich.  Um diese Bedingungen zu erfüllen, führen automatisierte Gitter meist zu einer großen Gesamtanzahl von Gitterzahlen,  welches zu einer unnötig langen Rechenzeit führt. Werden größere Gitterzellen verwendet, um die Rechnzeit zu  verkürzen, können nur Teilbereiche der Beziehung zwischen Volumenstrom und Druckerhöhung mit hinreichender  Genauigkeit berechnet werden. Soll das Drehmoment und daraus der Wirkungsgrad des Ventilators berechnet werden,  sind die Anforderungen an das Rechengitter noch präziser einzuhalten. Zusätzlich erfordert die Tatsache, dass in y+  die Wandschubspannung eingeht, die erst durch die Berechnung selbst bekannt ist, zum Teil mehrer Iterationen zur  Gitteroptimierung. Um in allen Bereichen eine hohe Genauigkeit zu erzielen, werden die Rechengitter deshalb mit  hohem Zeitaufwand optimiert, welches zu einer signifikanten Erhöhung des benötigten Aufwandes pro simulierter  Geometrie führt. Dieser eben dargestellte Kompromiss zwischen Genauigkeit und numerischem Aufwand stellt sich  auch bei der Wahl des Turbulenzmodells (k.epsilon, k-omega, Reynolds-Stress, etc.). Zu jedem dieser Turbulenz-  modelle gibt es eine Reihe von Parametern, sowie verschiedene Methoden die Grenzschicht (wall function approach,  near-wall model approach, etc) zu berechnen. Dazu kommen verschiedene Diskretisierungs-Schemata 1. und 2.  Ordnung. Diese vielen Auswahlmöglichkeiten werden angeboten, um die unendlichen Anwendungsgebiete kom-  merzieller CFD-Softwarepakete zu ermöglichen. Doch welche Einstellungen sind für die Entwicklung von Ventilatoren  geeignet und sind diese für alle Ventilatoren gleich. Diese Fragen können nur durch experimentelle Validierung, welche  zu weiteren Schwierigkeiten führt (siehe unten), oder mit Hilfe entsprechendem Wissens über die Arbeitsweise des  Turbulenzmodells ermöglicht werden.  2.4. CFD Berechnung  Sind die entsprechenden numerischen Vorbereitungen getroffen worden, wird die erste Berechnung durchgeführt. Der  große Vorteil der CFD Berechnungen ist, dass alle relevanten Strömungsgrößen (Geschwindigkeitskomponenten,  Druckverteilung, etc.) im gesamten Rechengebiet und vor allem im Nahbereich des Blattes bekannt sind. Allerdings  erfordert das Ableiten der erforderlichen Geometrieänderungen aus der Analyse der Ergebnisse wiederum ein  Höchstmaß aerodynamischen Wissens. Welche Geometrieänderung zum „Design-Target“ führt, wird durch die CFD-  Berechnung selbst nicht angegeben, sondern kann damit nur überprüft werden. Das bedeutet, dass bei einem Mangel  an Wissen, CFD-Berechnungen zu einem numerischen „Trial and Error“ Prozess verkümmern. Dadurch erhöhen sich die  Kosten, wenn man Software und Manpower berücksichtigt, und das Potential von CFD-Berechnungen bezüglich des  Erlernens der essentiellen Zusammenhänge zwischen lokalen Strömungseffekte am Blatt und resultierenden  Eigenschaften des Ventilators werden nicht ausgeschöpft.  2.5. Validierung  Ist der numerische Entwicklungsprozess abgeschlossen, wird nach den Vorgaben der Simulation der erste Prototyp  gefertigt und dessen Kennlinie im Messstand experimentell ermittelt. Im Idealfall stimmen die Kennlinie des Simulation  und der Messung überein und die Entwicklung ist abgeschlossen. Doch selbst bei sorgfältigster Durchführung der CFD-  Berechnungen kann es zu erheblichen Abweichungen kommen, die durch Messfehler nicht zu erklären sind. Je nach  verwendetem Material des Prototypen oder des späteren Produktionsmodells kann es zu mehr oder weniger starken  Verformungen kommen. Das bedeutet die Geometrie des realen Ventilators und der simulierten Geometrie stimmen  nicht überein. Ziel ist es allerdings die Eigenschaften des letztendlichen Produktionsmodells vorhersagen zu können,  deshalb muss diese Verformung des realen Ventilators vermessen werden oder mit Festigkeitsberechnungen (FEM)  bestimmt werden und dann in den CFD-Berechnungen verarbeitet werden, welches einen weiteren Aufwand bedeutet.  3. Schlussfolgerungen  CFD-Berechnungen bieten auf Grund der Berechnung der lokalen Strömungszustände am Ventilatorblatt ganz neue  Möglichkeiten in der Entwicklung von Ventilatoren, die sich experimentell nur mit erheblich höherem Aufwand  realisieren lassen. Diese sind vor allem: • Reduzierung der Protoypenanzahl • höheres Optimierungsniveau  • Konzept und Parameterstudien  Allerdings zeigt sich auch, dass heutige CFD-Softwarepakete (noch) nicht die „Plug and Play“ Lösung aller  Schwierigkeiten in der Entwicklung von Ventilatoren sind. Denn sie stellen an den Entwickler und Benutzer von CFD auf  zwei Gebieten neue Anforderungen, die erheblich vom Anforderungsprofil einer experimentellen Entwicklung  abweichen. Zum einen ist das die Fähigkeit belastbare Resultate zu erzeugen und zum zweiten aus der großen  Datendichte der CFD-Berechnungen die entsprechenden Schlüsse zu ziehen. Nur in diesem Fall können die Vorteile von  CFD-Berechnungen voll zum Einsatz kommen. Denn es ist immer noch der Mann hinter dem Piano, der die Musik macht und nicht das Piano selbst.  Niederlassungen: Niederlande Leeghwaterstraat 21 2628 CA Delft Tel.: +31 15 278 2907 Deutschland Weenermoorer Str. 193 26826 Weener Tel.: +49 4953 922 969 Beratendes Ingenieurbüro für Wärme- und Strömungstechnik CFD = Colorfull Fan Design Kritischer Blick auf CFD Berechnungen in der Entwicklung von Ventilatoren Verein Deutscher Ingenieure www.vdi.de