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O+P Fluidtechnik 9/2019

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FORSCHUNGSFONDS

FORSCHUNGSFONDS FLUIDTECHNIK PARAMETRIERUNG VON KAVITATIONS­ MODELLEN FÜR DIE GEZIELTE BETRIEBSBE­ REICHSERWEITERUNG ÖLHYDRAULISCHER KOMPONENTEN UND SYSTEME Dipl.-Ing. Sven Osterland, Institut für Mechatronischen Maschinenbau der TU Dresden, Professur für Fluid-Mechatronische Systemtechnik Förderung: Forschungsfonds Fluidtechnik im VDMA, FKM-Nr. 7044700 FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG ZIELSETZUNG Das dem Projekt übergeordnete Fernziel besteht in der Erweiterung des Betriebsbereichs und der Lebensdauer ölhydraulischer Komponenten und Systeme. Kavitation ist ein physikalischer Effekt, welcher fundamental die Einsatzgrenzen limitiert. Eine Lösungsstrategie besteht darin, die Kavitation dem virtuellen Engineering (z. B. der CFD) zugänglich zu machen, um effizient und zielgerichtet Probleme zu erkennen und Gegenmaßnahmen ableiten zu können. Notwendige Voraussetzung dafür sind allgemeingültige, praktikable und validierte Berechnungsmodelle für Dampf- und Gaskavitation inklusive ihrer Parameter. Da diese Voraussetzung momentan nicht erfüllt ist, kann die Berechnung von Kavitation in ölhydraulischen Komponenten zurzeit nur eingeschränkt erfolgen. Das Projekt verfolgt folgende Ziele: Allgemeingültige Parametrierung für Dampf- und Gaskavitationsmodelle für Hydrauliköl, klare Trennung von Dampf- und Gaskavitation und ihrer Auswirkungen auf Komponenten, Flüssigkeit und System, Abbildung der auftretenden Kavitationseffekte durch ganzheitliches Kavitationsmodell, Berücksichtigung separater Parametrierung von Gas- und Dampfkavitation, Schaffung einer fundierten, experimentellen Datenbasis mit anwendungstypischen Referenzfällen zur weiteren Modellvalidierung für Mineralöl, Bewertung von Maßnahmen zur Erweiterung der Betriebsbereichsgrenzen, Best-Practice-Guidelines für die Kavitationsmodellierung, besseres Verständnis der Kavitation in der Ölhydraulik. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK Das Versuchsstandskonzept zum Ausscheiden der gelösten Luft mittels evakuierbarem Tank wurde umgesetzt und die Funktionalität erfolgreich nachgewiesen. Die Konstruktion und Fertigung des Prüfstandes inklusive mehrerer Blasenanalysestrecken ist abgeschlossen. Während der Inbetriebnahme trat ein schwerwiegender Pumpenschaden auf, wodurch sich die weiteren experimentellen Arbeiten verzögern. Wenn dieser in Kürze behoben wird, kann der Versuchsstand erneut in Betrieb genommen werden. Anschließend kann mit der Durchführung der Versuchsreihen begonnen werden. Auf dem Gebiet der Strömungssimulationen wurden umfangreiche Ergebnisse zur Turbulenzmodellierung und zur Dampfkavitation erzielt, welche in komprimierter Form im untenstehenden Bild zusammengefasst sind. Die Erkenntnisse, dass der Kavitationszustand sich im Wesentlichen mit nur zwei dimensionslosen Kennzahlen, Kavitationszahl und Reynoldszahl beschreiben lässt und dass eine scheinbar scharfe Grenze zwischen kavitierenden und nicht kavitierenden Betriebspunkten existiert, sind hoch interessant und bieten eine gute Möglichkeit, die Simulationen mit den Experimenten zu vergleichen. Der Vergleich mit dem Experiment kann so nicht nur für einzelne Betriebspunkte oder gar Zeitschritte erfolgen, sondern möglichst allgemeingültig über den gesamten Betriebsbereich. Im weiteren Projektverlauf gilt es, das Simulationsmodell um die Gaskavitation zu erweitern und neben dem Kavitationsbeginn verstärkt die Kavitationsintensität zu untersuchen. Hierbei ist großer Wert auf den Vergleich verschiedener Auswertekriterien zu legen, um sowohl die Selbstkonsistenz als auch die Vergleichbarkeit mit dem Experiment zu gewährleisten. Alles in allem liegt der Projektfortschritt im Zeitplan, wobei der experimentelle Anteil in Folge einer Havarie Rückschläge verkraften muss. Auf dem Gebiet der Kavitationssimulationen waren dagegen große Fortschritte möglich. 08 Parameterstudie zum Kavitationsbeginn 52 O+P Fluidtechnik 9/2019

FORSCHUNGSFONDS FLUIDTECHNIK ENTWICKLUNG EINES MEHRPHASIGEN TANKMODELLS FÜR DIE EINDIMEN- SIONALE HYDRAULIKSIMULATION Rahelehsadat Mostafavi, M.Sc., Institut für fluidtechnische Antriebe und Systeme, ifas, der RWTH Aachen Förderung: Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen e. V. (AiF) aus Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi), IGF-Nr. 19612 N/1 ZIELSETZUNG Das Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines Ersatzmodells für die zweiphasigen Strömungen in Hydrauliktanks, welches in der eindimensionalen Hydrauliksimulation verwendet werden kann. Dieses sogenannte Metamodell, oder Transferfunktion, wird durch die Verwendung der Ergebnisse aus 3D-CFD-Simulationsmodellen eines Tanks (Computer-Experiment-Methode) unter Berücksichtigung der Dynamik des Systems entwickelt. Dieses Modell ermöglicht die effiziente Abbildung der Luftabscheidung und kann somit in der Industrie eingesetzt werden. Das Modell wird interessierten Unternehmen zur Implementierung in einer eindimensionalen (1D) Hydrauliksimulationssoftware bereitgestellt. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK Um eine Beschädigung der Komponenten zu vermeiden und den Wirkungsgrad zu verbessern, sollten hydraulische Systeme mit möglichst wenig Luftblasen im Öl betrieben werden. Der Hydrauliktank hat die Aufgabe ungelöste Luft aus dem Öl freizusetzen. Deshalb ist ein Modell, das den Luftabscheidegrad des Tanks effizient bestimmen kann, vorteilhaft. Ziel des Projektes ist die Entwicklung des sogenannten Metamodells. Es werden hierbei Hydrauliktanks nach DIN 24339 betrachtet. Für die Entwicklung eines Metamodells soll eine Vielzahl von Daten gesammelt werden. Um diese Daten auf effiziente Weise zu erhalten, werden hier die Methoden der DoE verwendet. Die Regression, welche am besten zu den Daten passt, wird dann ausgewählt. Danach wird die Genauigkeit dieses Metamodells ermittelt. Vor Projektende wird das entwickelte Metamodell für Erprobungszwecke der einschlägigen Software-Tools für eindimensionale Hydrauliksimulation zur Implementierung zur Verfügung gestellt. 09 Tatsächliche Zielgröße im Vergleich zur vorhergesagten 10 Die Validierungsrechnung mit 9 Simulationsläufen Zielgröße. Je näher die Punkte an der diagonalen Linie sind, (Testpunkte) zeigt ein Bestimmtheitsmaß von 80 % desto genauer sind die Vorhersagen durch das Modell O+P Fluidtechnik 9/2019 53

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