Ventile entwerfen: Ein schneller Weg zur optimalen Durchflussrate

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Ein Hauptziel bei der Optimierung von Ventilen liegt in der Verbesserung der Durchflussrate bei einer vorgegebenen Druckdifferenz. Wie lässt es sich erreichen?

• Das Hauptziel bei der Optimierung eines Ventils ist typischerweise die Verbesserung der Durchflussrate durch das Ventil bei einer vorgegebenen Druckdifferenz.

• Ventile sind eine von vielen Anwendungen, bei denen die CAE-Software CAESES die robuste Automatisierung systematischer Geometrievariation ermöglicht.

• Die folgende Analyse der generierten Varianten mit einem geeignetem CFD-Löser kann die Zeit bis zur Marktreife verkürzen und das Design optimieren helfen.

Ventile sind Vorrichtungen, die den Fluss von Fluiden steuern oder regulieren, indem sie verschiedene Durchgänge öffnen, schließen oder teilweise blockieren. In einem offenen Ventil fließt das Fluid von einem höheren zu einem niedrigeren Druck. Das Hauptziel bei der Optimierung eines Ventils ist typischerweise die Verbesserung der Durchflussrate durch das Ventil bei einer vorgegebenen Druckdifferenz, häufig als sogenannter Durchflusskoeffizient oder Durchflussfaktor ausgedrückt, ein relatives Maß für die Effizienz des Ventils den Durchfluss zu ermöglichen.

Fallbeispiel: Ventile optimieren mit SimericsMP+

In den folgenden Abschnitten wird eine Optimierungsstudie beschrieben, die durchgeführt wurde, um den Arbeitsablauf für die Ventiloptimierung mit CAESES, in Kombination mit SimericsMP+ als CFD-Löser, zu demonstrieren. Das Objekt dieser Studie war ein Hydraulikventil von Duplomatic Motion Solutions, ein vorgesteuertes Wegeventil mit elektrischer oder hydraulischer Betätigung. Insbesondere wurde die Form zweier interner Strömungskanäle des Ventils optimiert, um den höchstmöglichen Massenfluss bei einem definierten Druckabfall von 5 bar zu erhalten. Zu Optimierungszwecken wurde das Ventil mit einer festen Schieberposition simuliert, so dass nur die Anschlüsse P und A (in der beiliegenden Abbildung blau) über die Aussparungen des Kolbenschiebers (in der beiliegenden Abbildung grün) verbunden wurden, ein typischer Betriebszustand.

Geometrievariation

Die Strömungskanäle der betroffenen Anschlüsse wurden aus dem ursprünglichen CAD-Modell entfernt und durch in CAESES parametrisierte Geometrieelemente ersetzt. Für jeden der beiden betrachteten Kanäle wurde derselbe Satz von neun Parametern als freie Variablen für die Optimierung ausgewählt. Diese Parameter steuern die Form der verschiedenen Geometriefeatures der Strömungskanäle.

SimericsMP+ Automatisierung

SimericsMP+ wurde mit Hilfe des CAESES Software Connectors zur Analyse der generierten Geometrievarianten in den Prozess integriert. Die Geometrie wird im STL Extract Colors-Format exportiert, wobei jede für einen Teil der Geometrie in CAESES definierte Farbe in eine separate STL-Datei exportiert wird. Auf diese Weise kann SimericsMP+ die unterschiedlichen Bereiche der Geometrie leicht identifizieren und die Verbindung zu den entsprechenden Einstellungen (zum Beispiel Netzeinstellungen oder Randbedingungen) beibehalten, wodurch eine automatisierte Netzregeneration ermöglicht wird. Das Simulations-Set-up wird initial einmal in der SimericsMP+ Benutzeroberfläche aufgesetzt und in der sogenannten * .spro-Datei gespeichert, die anschließend von CAESES für jede Variante exportiert wird.

Auf der Ergebnisseite wird eine Ensight Gold-Datei mit dem vollständigen Strömungsfeld, sowie eine Textdatei mit dem Zeitverlauf der integrierten Werte importiert. Letztere wird verwendet, um die Zielfunktion der Optimierung, die Durchflussrate, zu extrahieren.

Optimierung der Ventile und Ergebnisse

Der gesamte Optimierungsprozess war in drei Phasen gegliedert. Im ersten Schritt wurde eine vorbereitende Parameterstudie (DoE) mit 100 Entwurfsvarianten durchgeführt, die alle 9 Parameter für einen der beiden Anschlüsse (A) einbezog. Basierend auf diesen Ergebnissen wurden die 4 einflussreichsten Parameter, das heißt, die Parameter mit der stärksten Korrelation zur Zielfunktion, identifiziert und für ein zweites DoE ausgewählt. Hier wurden die ausgewählten Parameter auf beide Anschlüsse (A und P) angewendet und 90 Varianten analysiert. Schließlich wurde im letzten Schritt eine lokale Optimierung ausgehend vom besten Entwurf des vorhergehenden DoE, mit demselben Parametersatz und weiteren 50 Varianten, durchgeführt.

Am Ende des Prozesses wies das optimierte Design im Vergleich zur ursprünglichen Geometrie eine Verbesserung des Massendurchflusses um etwa 9 Prozent auf, wobei die DoE-Phase 7 Prozent und die finale lokale Optimierung weitere 2 Prozent beitrugen. Obwohl dies keine strenge Randbedingung darstellte, wurden die Volumina der Strömungskanäle während des Optimierungsprozesses überwacht. Alle berücksichtigten Varianten lagen jedoch innerhalb der tolerierten Grenzen. Experimentelle Untersuchungen, die an der Universität Neapel durchgeführt wurden, bestätigten die Ergebnisse der Optimierung. Es ist weiterhin erwähnenswert, dass das Design zuvor mit vergleichbaren Ergebnissen in einem manuellen iterativen Verfahren von demselben Universitätsinstitut optimiert wurde, wenn auch innerhalb eines Zeitraums von mehreren Monaten gegenüber einigen Tagen für das mit CAESES durchgeführte automatisierte Verfahren.

“Wir waren sehr beeindruckt von der Geschwindigkeit und Effizienz des auf CAESES und SimericsMP+ basierenden Prozesses. Bei Verwendung eines traditionellen Ansatzes, der auf inkrementellen Geometriemodifikationen und CFD-Validierung basiert, haben wir ungefähr zehnmal länger gebraucht, um das gleiche Ergebnis zu erzielen.”

Michele Pavanetto, Technical Director, Duplomatic Motion Solutions

Bild oben: Optimierung und CFD Simulation. Bildquelle: Friendship Systems AG

Informationen zum Anbieter: http://friendship-systems.com

Weitere Informationen zur Fallstudie: https://www.mdpi.com/2311-5521/5/1/17

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