Entwicklung numerischer Modelle zur Vorhersage kavitationsbedingter Geräusche und Erosion in Hydraulikventilen mittels LES
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Ziel der Arbeiten am ISM war die Entwicklung eines numerischen Verfahrens zur Vorhersage kavitierender Strömungen in ölhydraulischen Ventilen sowie die die Berechnung der damit verbundenen Geräusche und Erosion. Zunächst wurde die kavitationsfreie Strömung sowohl im zu untersuchenden Schieberventil als auch im Ventil aus dem Vorgängerprojekt umfassend mit Hilfe der Large Eddy Simulation (LES) untersucht. Es wurde gemeinsam mit dem Teilprojekt IFD ein Betriebspunkt für die Simulationen ausgewählt, der im optimalen Arbeitsbereich des eingesetzten Hydrauliksystems liegt. Dabei zeigte sich, dass die Strömung bedingt durch die hohe kinematische Viskosität des Öls sowie durch die kleinen Abmessungen nur schwach turbulent und in großen Bereichen laminar ist. In der Tat war der Beitrag des Feinstrukturmodells in diesen Simulationen klein, so dass de facto eine Direkte Numerische Simulation (DNS) erreicht wurde. Dadurch kann auch der in der Strömung auftretende laminar-turbulenten Übergang problemlos erfasst werden. Beim Vergleich mit experimentellen Ergebnissen ist die Übereinstimmung exzellent. Als erster Schritt zur Modellentwicklung wurden zwei Mehrfluid-Kavitationsmodelle in den institutseigenen Strömungslöser LESOCC2 implementiert, wobei die dafür notwendigen Codeanpassungen erheblich umfangreicher waren als ursprünglich eingeplant. Hierbei wurden allerdings wichtige Erfahrungen für die nachfolgende Entwicklung des volumetrisch gekoppelten Euler-Lagrange-Modells gesammelt. Ein zentraler Arbeitspunkt war die Entwicklung eines Euler-Lagrange-Modells, da es gegenüber der klassischen Mehrfluidmodellierung neue Perspektiven für die Simulation von Kavitation in ölhydraulischen Komponenten eröffnen kann. Zunächst wurde ein Ein-Wege gekoppeltes Modell realisiert und für Simulationen der kavitierenden Strömung im Schieberventil des Projektpartners eingesetzt. Sie zeigten, dass die volumetrische Kopplung von großer Bedeutung ist und berücksichtigt werden muss. Eine in der Literatur veröffentliche Methode auf der Basis eines Low-Mach-Number-Lösers erwies sich als ungeeignet, so dass ein eigenes Verfahren konzipiert wurde. Hierzu wurde die Rayleigh-Plesset-Gleichung geeignet modifiziert und zusammen mit volumetrischer Kopplung in ein Gesamtmodell integriert. Erste Resultate unterstreichen die Relevanz der volumetrischen Kopplung bei der Berechnung von Kavitation mit Hilfe des Euler-Lagrange-Modells. Aufgrund der äußerst umfangreichen und zeitintensiven Arbeiten zur Entwicklung einer eigenen Methode konnten bisher keine entsprechenden Simulationen im Schieberventil durchgeführt werden. Allerdings zeigen die Ergebnisse, dass die Modellierungsarbeiten erfolgreich waren und eine gute Basis für weiterführende Arbeiten geschaffen wurde.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Messverfahren und numerische Modellierung von Kavitation in einem ölhydraulischen Ventil. Ölhydraulik und Pneumatik, 57(2):20-26, 2013
L. Müller, S. Helduser, J. Weber, M. Schümichen, F. Rüdiger, J. Fröhlich, T. Groß, G. Ludwig, P. Pelz
- Simulation of the turbulent flow in a model hydraulic spool valve. Proc. Appl. Math. Mech., 13:303- 304, 2013
M. Schümichen, M. Joppa, F. Rüdiger, J. Fröhlich, L. Müller, J. Weber, S. Helduser
- One-way coupled Euler-Lagrange simulation of the cavitating flow in a model hydraulic spool valve, in J. Fröhlich, S. Odenbach, K. Vogeler (Hrsg.), Strömungstechnische Tagung 2014, Schriftenreihe aus dem Institut für Strömungsmechanik, Bd. 10, 327-336, TUDpress, Dresden, 2014
M. Schümichen, F. Rüdiger, J. Weber, J. Fröhlich
- Simulation von Kavitation in ölhydraulischen Anwendungen, Vortrag, Workshop Kavitation in Technik und Medizin, Evangelisches Zentrum Kloster Drübeck, Deutschland, 29.06.-01.07.2015
M. Schümichen, F. Rüdiger, J. Fröhlich
