Erstellung eines Modells reduzierter Ordnung für die Vorhersage von Wirbeln in Rührbehältern

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Entschlüsselung der Geheimnisse der Wirbeldynamik in Rührkesseln durch fortschrittliche Modellierungstechniken.

Herausforderungen

Die Vorhersage der Wirbeldynamik in Rührkesseln stellt aufgrund des komplexen Strömungsverhaltens der Flüssigkeiten eine große Herausforderung dar. Die Turbulenz und die chaotische Natur der Flüssigkeitsbewegung in diesen Systemen machen es schwierig, die Wirbelbildung genau zu modellieren und vorherzusagen.

Herkömmliche CFD-Simulationen (Computational Fluid Dynamics) sind zwar genau, aber rechenintensiv und zeitaufwändig. Dies stellt ein Problem für Branchen dar, die schnelle Durchlaufzeiten für Simulationen und Optimierungen benötigen.

Einführung in Modelle reduzierter Ordnung (ROMs)

Modelle reduzierter Ordnung (Reduced Order Models, ROMs) bieten eine vielversprechende Lösung für die Herausforderungen, die sich bei herkömmlichen CFD-Simulationen stellen. ROMs reduzieren die Rechenkomplexität, indem sie die wesentliche Dynamik eines Systems mit deutlich weniger Freiheitsgraden abbilden.

ROMs werden erstellt, indem die wichtigsten Modi oder Merkmale des Systems identifiziert werden und ein vereinfachtes Modell konstruiert wird, das die kritischen Merkmale des ursprünglichen Systems beibehält. Dieser Ansatz beschleunigt nicht nur den Simulationsprozess, sondern macht es auch leichter, mehrere Iterationen und Optimierungen durchzuführen.

Technische Lösung

Bei Ozen Engineering, Inc. nutzen wir unsere Erfahrung mit der ANSYS-Simulationssoftware, um präzise und effiziente Modelle reduzierter Ordnung für die Vorhersage von Wirbeln in Rührkesseln zu entwickeln. Unser Prozess beginnt mit detaillierten CFD-Simulationen, um die grundlegenden Verhaltensweisen des Fluidsystems zu verstehen.

Anschließend setzen wir fortschrittliche Modellreduktionsverfahren ein, um die wichtigsten dynamischen Prozesse zu extrahieren und ein ROM zu erstellen, das die Wirbelbildung mit hoher Genauigkeit vorhersagen kann. Dieses ROM wird anhand experimenteller Daten validiert, um seine Zuverlässigkeit und Robustheit zu gewährleisten.

Anwendung:

In dieser Anwendung verwenden wir dasselbe Rührwerksbehälter-Beispiel wie bei der Erstellung eines Fluent-Modells für die Wirbelvorhersage¹. Der Behälter ist ein unbeschaufelter Zylinder, der mit einem Rushton-Turbinenlaufrad gerührt wird. Die Geometrie und die Netzdetails in der Querschnittsebene sind in Abbildung 1 dargestellt

Abbildung 1. Das Geometriemodell und das Maschennetz

Der Aufbau des Ansys Workbench-Projekts ist in Abbildung 2 dargestellt. Die Geometrie ist mit der Fluent-Sitzung verbunden, in der die erforderlichen Modelleinstellungen und Eingabe-/Ausgabeparameter beschrieben sind¹. Das 3D-ROM-Modul wird dann per Drag & Drop auf den Projektbildschirm gezogen, wodurch das 3D-ROM-Modul automatisch eine Verbindung mit dem Rest des Projekts herstellt.

Abbildung 3. Das Ansys Workbench-Projekt mit dem Zusatz von 3D-ROM

Bevor man die Versuchsplanung (DOE) durchführt, ist es besser, den ersten Datensatz auf der Grundlage der Eingaben (DP0) zu lösen. Dies ermöglicht die Überwachung der Simulation, die Nachbearbeitung und die Feststellung, ob es Probleme gibt. Sobald die Simulation abgeschlossen ist, zeigt der Parameterbildschirm die entsprechenden Ausgabeparameter an (Abbildung 4).

Abbildung 4. Die Eingaben und Ausgaben für die erste Simulation (DP0).

Die Eigenschaften der DOE können über die Tabelle (Abbildung 5) angepasst werden, die erscheint, sobald die Versuchsplanung (3D ROM) angeklickt wird. Die Standardauswahl „Optimaler raumfüllender Versuchsplan“ wurde mit einer Anzahl von 32 Proben verwendet. Diese Zahl wird von der Software auf der Grundlage der Anzahl der Eingabeparameter berechnet. In diesem Fall haben wir 4 Eingänge, und 8 Konfigurationen pro Eingang ergeben die Gesamtzahl der Stichproben.

Abbildung 5. Die DOE-Einstellungen

Sobald die DOE-Simulationen abgeschlossen sind, wird ein grünes Häkchen wie in Abbildung 3 angezeigt. Die Entwürfe mit den zugehörigen Ergebnissen sind zur Überprüfung verfügbar (Abbildung 6)

Abbildung 6. Der DOE-Ergebnisbildschirm

Der nächste Schritt ist das Anklicken des ROM Builders und des Export ROM (Abbildung 7). Es gibt zwei Optionen für den Export: entweder die roms-Datei oder die fmu-Datei. Die ROMs können in einer neuen Fluent-Sitzung gelesen werden. Die fmu-Datei kann zur weiteren Analyse in den TwinBuilder importiert werden. In diesem Beispiel haben wir eine roms-Datei exportiert.

Abbildung 7. ROM exportieren

Der letzte Schritt ist, eine neue Workbench-Datei zu öffnen, die Fluent-Sitzung zu starten und das ROM zu importieren. Sobald die Fluent-Sitzung geöffnet ist, klicken Sie im Menü „Modelle“ auf das Modell „Reduzierte Ordnung“. Klicken Sie im Panel auf die Registerkarte „Auswerten“. Wählen Sie das geeignete Nachbearbeitungswerkzeug, z. B. Konturen, und wählen Sie die zu visualisierenden ROM-Zellfunktionen aus. Wenn Sie die für die ROM-Erstellung verwendeten Parameter ändern, können Sie die Auswirkungen dieser Änderung beobachten. Abbildung 8 zeigt, dass eine niedrige Geschwindigkeit keinen Wirbel erzeugt, während eine hohe Geschwindigkeit dies tut.

Abbildung 8. Die Bewertung des ROM für zwei verschiedene Fälle

Von nun an kann der Benutzer viele verschiedene Kombinationen der Eingabeparameter ausprobieren. Das Ergebnis ist innerhalb von Sekunden auf dem Bildschirm verfügbar.

Vorteile

Der Hauptvorteil des Einsatzes von ROMs bei der Wirbelvorhersage ist die erhebliche Reduzierung von Rechenzeit und Ressourcen. Dies ermöglicht eine schnelle Prototypenerstellung und Optimierung, was zu kürzeren Entwicklungszyklen und Kosteneinsparungen führt.

Darüber hinaus ermöglichen ROMs Echtzeitsimulationen und -steuerung, was besonders bei industriellen Anwendungen von Vorteil ist, bei denen eine schnelle Entscheidungsfindung entscheidend ist. Die Möglichkeit, mehrere „Was-wäre-wenn“-Szenarien durchzuführen, steigert ebenfalls die allgemeine Design- und Betriebseffizienz.

Einzelheiten zur ROM-Erzeugung sind im folgenden Video zu sehen.

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