Vergleich von CFD-Programmen

Bei der hier dargestellten Strahlpumpe wird kompressible Luft mit einem Druck von 3,5 bar durch eine Laval-Düse gedrückt. Durch einen Ansaugstutzen im Ausgangsbereich der Laval-Düse wird äußere Luft angesaugt.

Die Düsengeometrie und die Druckverhältnisse innerhalb der Düse sind dabei sehr entscheidend für die Funktion des Apparates (Abb. 2). Verdichtungsstöße und Verdünnungswellen können auftreten, ungünstig positioniert liegen, den Wirkungsgrad negativ beeinflussen und zu Schwingungen im Strahl führen.

Unsere ausführlichen Berechnungen zeigen, dass nicht mit jedem CFD-Code eine korrekte Simulation der inneren Strömungsvorgänge einer solchen Strahlpumpe erreichbar ist.

Zwar stimmen die von den Solvern berechneten Werte für Druck, Temperatur, Geschwindigkeit und Dichte weitestgehend mit den analytisch bestimmbaren Werten überein (s. Tab. 1), allerdings wird die Position des Druckstoßes unterschiedlich vorausgesagt. Folglich ergeben sich unterschiedliche Ansaugmassenströme. Das Diagramm in Abb. 3 zeigt die berechneten Werte im Vergleich zum Messwert.

Der Vergleich zeigt deutlich, dass nur eins von den drei getesteten Produkten ein akzeptables Ergebnis (Fehler < 4%) liefert. Die beiden anderen CFD-Codes liegen mit Fehlern um die 40% weit vom akzeptablen Limit. Selbst die Erweiterung der Modelle um adaptive Gitter und transiente Untersuchungen führte zu keinem besseren Ergebnis. Zahlreiche Kunden bestätigten uns zudem die Schwierigkeiten mit diesen beiden CFD-Codes im Zusammenhang mit kompressiblen Strömungen.