Diese Diplomarbeit wurde am Institut für Prozess- und Strömungssimulation an der Hochschule Mannheim in Kooperation mit dem Unternehmen ProMinent Dosiertechnik GmbH, Heidelberg von Jörg Maltry durchgeführt. Die Arbeit wurde von Prof. Dr.-Ing. H. Michel und Dipl.-Ing. (FH) A. Radwan betreut.
Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde eine Membrandosierpumpe der Firma ProMinent Dosiertechnik GmbH unter Nutzung von Dynamic Mesh und User-Defined Functions (UDF) simuliert.
Mit dieser Diplomarbeit soll beispielhaft gezeigt werden:
Die Dosierpumpe besteht aus einer Membranpumpenfördereinheit und einem Ein- und Auslass-Kugelventil.
Die Bewegung der Membrane wird mit einer UDF extern vorgegeben (die User-Defined Function (UDF) ist die Programmierschnittstelle von FLUENT).
Die Membrane besteht aus einem starren (zentralen) Anteil, der Schubstange und der eigentlichen elastischen Membrane zwischen der (starren) Schubstange und dem starren Pumpengehäuse. Die exakte Bewegung dieser Membrane ist äußerst komplex.
Im Rahmen dieser Diplomarbeit wird die Bewegung beschrieben durch:
Die Bewegung der Ventilkugeln wird über eine Kräftebilanz berechnet. Der Impulssatz wird numerische gelöst. Durch die Bewegung der Membrane wird ein Druck in der Pumpenfördereinheit erzeugt. Die Bewegung der Membrane vom hinteren zum vorderen Totpunkt der Schubstange ist der Förderhub der Pumpe. Das Einlassventil schliesst und das Auslassventil ist geöffnet. In der Pumpe herrscht ein Überdruck. Die Bewegung der Membrane vom vorderen zum hinteren Totpunkt der Schubstange ist der Saughub der Pumpe. Das Auslassventil schliesst und das Einlassventil ist geöffnet. In der Pumpe herrscht ein Unterdruck. Diese Drücke und die daraus resultierende Strömung werden mit der CFD berechnet; die Ergebnisse werden in einer UDF abgefragt. Mit diesen Kräften wird in einer UDF die Impulsbilanz der Ventilkugel berechnet. Die Lösung ist die Geschwindigkeit und die genaue Position der Kugel, die in FLUENT zurückübergeben wird.
Durch die Bewegung der Membrane und der beiden Ventilkugel wird der umgebende Pumpenraum verändert.
FLUENT löst die Erhaltungsgleichungen für die Strömungen im Pumpenraum. Dazu muss der Pumpenraum in einzelne Volumenelemente diskretisiert werden (Vergitterung). Bei den sich veränderden Räumen muss das Gitter angepasst werden (Dynamic Mesh). Die folgende Animation zeigt den Ab- und Aufbau der Zellen in der Fördereinheit unter Nutzung des Dynamic Mesh (2D-Mesh-Anim (DivX5)).
Bei der Bearbeitung dieser Diplomarbeit trat folgendes Problem auf:
Bei einem geschlossenem Ventil sitzt die Ventilkugel direkt auf dem Ventilsitz. Die Strömung ist unterbrochen. Wenn sich das Ventil öffnet, bildet sich ein Spalt zwischen Kugel und Sitz. Dieser Spalt muss vergittert werden. Ein minimales Gitter besteht aus einer Reihe von Gitterelementen; daher ist das direkte Aufsitzen der Kugel auf dem Sitz in FLUENT nicht realisierbar. Deshalb verbleibt auch im „geschlossenen Zustand“ als Minimum eine Gitterreihe. Es wurde deshalb ein Verfahren entwickelt, um das Ventil trotzdem „geschlossen“ darzustellen und damit die gewünschte Unterbrechung der Strömung zu erzeugen. Beim „Schliessen“ werden dabei Interfaces von Interior zu wall gesetzt und beim Öffnen von Wall zu Interior. Gesteuert wird dieser Vorgang über ein Scheme-Programm.
Es wurde der komplette Membranhub – 360° Drehung des Exzenters – berechnet. Am Einlass liegt ein Überdruck von 0 bar an und am Auslass ein Überdruck von 10 bar. Die Randbedingung sind beibehalten worden.
Es wurden folgende Berechnungen durchgeführt:
Die Ergebnisse dieser Berechnung sind: