TECHNIEK
Cool and Comfort 74 – september 2017
Numerieke stromingsleer (CFD)
Gebruik van numerieke stromingssimulaties voor de optimalisatie van warmtewisselaars
Afbeelding 1: a) Afbeelding uit een CAD-programma voor een specifieke vraagstelling (luchtstroming door een koeler in een koelruimte). b) Doorsnede van de gekoppelde berekeningsruimte zodat de afzonderlijke cellen zichtbaar zijn. c) Voorbeeldanalyse van de iteratief berekende resultaten. Stromingslijnen geven de afgelegde weg aan van denkbeeldige deeltjes.
Afbeelding 2: Fundamentele aanpak
Afbeelding 3: Voorbeelden van CFD-simulaties in productontwikkeling. a) Nog voor de bouw van de eerste prototypes konden de luchtstromingen rondom en binnenin de nieuwe Container-versies van de GFD en GVD nauwkeuring worden onderzocht. Zo werd -op basis van de simulatieresultaten- de optimale positie van de spuitkoppen bepaald voor het nieuwe HydroSpray-systeem. b) Ook de behuizing van de nieuwe FLAT-reeks werd stromingstechnisch onderzocht en de afstand tussen de ventilatorplaat en de het warmte-overdrachtsblok werd geoptimaliseerd.
Afbeelding 4: Numeriek berekende stroming GHN080.2 bij verschillende afstanden tot de muur. Als de afstand tot de muur kleiner wordt, stijgt de luchtwerveling voor de warmtewisselaar. Vooral bij erg kleine afstanden (700 mm, afbeelding links) bemoeilijkt deze werveling de stroming in de warmtewisselaar, wat de prestaties kan doen dalen in DX-modus.
Afbeelding 5: Berekening van warmteoverdracht en drukverlies bij gelamineerde warmtewisselaars. Dankzij de symmetrische eigenschappen van de lamellen volstaat de simulatie van een klein deel (b) om gedetailleerde informatie te verkrijgen over de stroming, het drukverlies (niet afgebeeld) en de temperatuurverdeling in de warmtewisselaar (a, c).
Er duiken steeds meer publicaties op over het thema numerieke stromingsleer (Computational Fluid Dynamics of CFD) en gelamineerde, luchtgekoelde warmtewisselaars. Dat wijst er doorgaans op dat CFD binnen afzienbare tijd een onontbeerlijk tool zal worden om nieuwe toestellen te ontwikkelen. Momenteel wordt het meeste werk nog verricht in een academische context – in projecten van enkele maanden of soms zelfs jaren wordt een concrete toepassing in detail bestudeerd om een antwoord te vinden op fundamentele vragen
1. Inleiding
Dankzij de bliksemsnelle ontwikkelingen op het gebied van computerchips kan CFD nu al zonder al te veel moeite voor eenvoudige taken efficiënt worden ingezet. Zelfs met een normale desktopcomputer kunnen ondertussen numerieke stromingssimulaties van hoge kwaliteit worden uitgevoerd zonder veel tijd in beslag te nemen. Als het dan toch eens nodig is om grotere projecten te verwerken die meer rekenkracht nodig hebben, biedt Cloud Computing de mogelijkheid om op een kostenefficiënte manier de nodige middelen te huren via het internet.
Bij Güntner worden numerieke stromingssimulaties al verschillende jaren met succes ingezet om een aantal uiteenlopende taken tot een goed einde te brengen. In deze bijdrage stellen we kort de gebruikte methode voor en laten we aan de hand van enkele voorbeelden zien hoe we op deze manier inzichten en kennis opdoen die met de standaard meetmethoden nauwelijks of slechts zeer moeilijk te verzamelen zijn.
2. Wat is CFD nu eigenlijk?
Eenvoudig gezegd probeert de numerieke stromingsleer om fluïdumbewegingen te beschrijven met behulp van computers. De fluïdummechanica is voor het grootste deel gebaseerd op de Navier-Stokes-vergelijkingen en hun afgeleiden. Over het algemeen kunnen met deze partiële differentiaalvergelijkingen maar zeer weinig en bovendien erg specifieke problemen analytisch worden opgelost. Dat betekent dat voor het oplossen van echte problemen waarmee we elke dag worden geconfronteerd, bijna altijd iteratieve benaderingen moeten gebruiken. Die kunnen echter alleen maar een benaderende oplossing geven. De afwijkingen moeten hier worden gezien in vergelijking met een analytisch exacte oplossing, maar zijn enkele orde grootte kleiner dan wat over het algemeen als afwijking zou worden beschouwd. Omdat iteratieve benaderingen meestal een enorme rekenkracht vergen, worden voor deze taken doorgaans computers ingezet.
3. Fundamentele aanpak
Eerst wordt voor een bepaalde vraagstelling een bijbehorende (meestal driedimensionale) tekening gemaakt met behulp van een CAD-programma. Afbeelding 1a toont bijvoorbeeld een koeler in een koelruimte. Het totale relevante domein – in ons voorbeeld de koelruimte, warmtewisselaar, behuizing en ventilator – wordt onderverdeeld in een heleboel afzonderlijke cellen (afbeelding 1b). In deze stap, die ook “koppelen” wordt genoemd, wordt vastgelegd op welke punten de berekeningssoftware de afzonderlijke simulatievariabelen (druk, snelheid, temperatuur) zal berekenen. Zo draagt het koppelen in belangrijke mate bij tot de nauwkeurigheid van de simulatieresultaten en moeten de koppelingen dan ook worden aangepast aan de probleemstelling. Deze taak is nog steeds niet volledig geautomatiseerd en vergt van de gebruiker een zekere ervaring en basiskennis op het vlak van numerieke stromingsleer. Na het koppelen worden de andere belangrijke parameters vastgelegd, zoals het definiëren van de grensvlakken, de keuze van oplosser (“solver”) en turbulentiemodel of de materiaalspecifieke eigenschappen van het fluïdum.
De stappen die hierboven worden beschreven, vallen doorgaans onder de noemer “Preprocessing”, dus een soort voorafgaande bewerking (zie afbeelding 2). We gebruiken daarvoor ons eigen CFD-werkstation. De eigenlijke simulatie, met andere woorden het iteratief oplossen van de vergelijkingen, wordt met behulp van Cloud Computing uitgevoerd op servers die op het internet worden gehuurd. Dankzij deze uiterst flexibele oplossing beschikken we over een nagenoeg onbeperkte reken- en opslagcapaciteit en beperken we de lopende kosten tot een minimum. Na het voltooien van de simulatie worden de resultaten opnieuw naar de bedrijfsserver verstuurd en daar op de gewenste manier geanalyseerd (zogeheten “Postprocessing”, afbeelding 2 onderaan). Op afbeelding 1c is het resultaat te zien van een dergelijke analyse waarbij de stroming met behulp van stromingslijnen zichtbaar wordt gemaakt.
De simulatieresultaten worden voor zover mogelijk gevalideerd op basis van beschikbare meetgegevens. Bovendien wordt er voor de kwaliteitsborging rekening gehouden met de convergentie van bepaalde parameters (meestal druk of temperatuur), de onafhankelijkheid van de resultaten ten opzichte van de discretisatiegraad en de invloed van de afzonderlijke iteratiestappen.
4. Toepassingsmogelijkheden van CFD
Vooral in de sector van de koeling en klimaatregeling is het toepassingsgebied van CFD-simulaties erg veelzijdig. Meest belangrijk is daarbij zonder twijfel de ontwikkeling van nieuwe producten. Vandaag al worden bij Güntner kritische, productspecifieke problemen in de eerste fase van de ontwikkeling onderzocht aan de hand van CFD, zonder daarbij ook maar een plaat te buigen of een gat te boren. Zo werd bijvoorbeeld de optimale positie van de sproeikoppen van het nieuwe HydroSpray-systeem bepaald aan de hand van simulaties (zie afbeelding 3a). Maar ook in de behuizingen van de nieuwe “FLAT”-reeks werd de afstand tussen ventilatorplaat en warmteoverdrachtsblok stromingstechnisch geoptimaliseerd – zonder ingewikkelde metingen aan prototypes (zie afbeelding 3b).
Dankzij CFD kunnen producten die al op de markt werden gebracht doelgericht worden onderzocht. Kunnen ze op bepaalde punten nog worden verbeterd? Hoe gedraagt het toestel zich in bepaalde inbouwsituaties of in uitzonderlijke omstandigheden? Afbeelding 4 geeft een voorbeeld van de numeriek berekende stroming in een verdamper (GHN080.2) die op verschillende afstanden tot de muur en het plafond is bevestigd. Er kon worden aangetoond dat een te kleine afstand tot de muur vooral in de directe verdampingsmodus tot grotere rendementsverliezen kan leiden. Hier profiteren we opnieuw van het feit dat numerieke simulaties relatief goedkoper zijn en snel een heleboel verschillende varianten kunnen onderzoeken.
Ten slotte kan dankzij CFD-simulaties erg waardevolle informatie worden verkregen over fundamentele vragen, zoals over de samenhang tussen stroming, drukverlies en temperatuurverdeling in gelamineerde warmtewisselaars (zie afbeelding 5). Hierbij moet zeker de mogelijkheid worden vermeld om factoren en/of fysieke grootheden te analyseren die meettechnisch alleen met heel veel moeite onderzocht kunnen worden. Voorbeelden hiervan zijn de luchtstromingen rond de kernleidingen (afbeelding 5a,c) maar ook lokale temperatuur- en drukwaarden. Bovendien is de routinematige detectie van drukverlies en warmteoverdracht aan de luchtzijde op basis van numerieke stromingssimulaties ondertussen nauwkeurig genoeg om – toch zeker aan het begin van een project – reële metingen te vervangen. Op die manier kunnen uit een groot aantal lamelvarianten de beste kandidaten worden gekozen die op de meest rendabele en snelste manier kunnen worden ontwikkeld – dat alles zonder dat voor elke variant een testpatroon moet worden gebouwd en gemeten.
5. Samenvatting
In wetenschappelijke kringen heeft de numerieke stromingsleer (CFD) ook op het vlak van gelamineerde warmtewisselaars met warmteopname uit de lucht al geruime tijd ingang gevonden. Dankzij computers die alsmaar krachtiger worden zijn zelf uitgevoerde CFD-analyses ondertussen ook voor kleine en middelgrote bedrijven in deze sector rendabel geworden. Voor grotere projecten bestaat de mogelijkheid om relatief goedkope rekenkracht op het internet te huren.
Deze bijdrage geeft een kort overzicht van de domeinen binnen Güntner waar dit hulpmiddel al met succes wordt ingezet. Zo kan al tijdens de ontwikkeling van een nieuw product de luchtstroming in en rond het toestel nauwkeuriger worden bestudeerd. Verder zijn de inzichten uit numerieke stromingssimulaties een grote hulp om de optimalisatie van bestaande producten of concrete toepassingen nauwkeuriger te analyseren. Ook bij fundamentele vragen leveren CFD-simulaties erg nuttige resultaten. Het is bijvoorbeeld mogelijk om drukverliezen en warmteoverdrachten in gelamineerde warmtewisselaars nauwkeurig genoeg te berekenen en sterke turbulenties en tegenstomen zichtbaar te maken.
Het is uiteraard onmogelijk – en ook niet de bedoeling – voor de firma Güntner om nieuwe oplossers of turbulentiemodellen voor de numerieke stromingssimulaties van warmtewisselaars te ontwikkelen of een koeler tot in het kleinste detail te simuleren. Belangrijker is het om de beschikbare tools efficiënt te gebruiken wanneer het zinvol is, bijvoorbeeld omdat reële metingen te omslachtig zouden zijn. Daarbij vormen gegevens uit metingen altijd de basis waartegen simulaties moeten worden gevalideerd voordat verdere berekeningen worden uitgevoerd om een antwoord te geven op de eigenlijke vraagstelling.
6. Literatuuroverzicht
[1] Hwang S.W., CFD analysis of fin tube heat exchanger with a pair of delta winglet vortex generators, Journal of Mechanical Science and Technology 26 (9) 2949-2958
[2] Singh, V., DEVELOPMENT OF AN ADVANCED HEAT EXCHANGER MODEL FOR STEADY STATE AND FROSTING CONDITIONS, Dissertation, University of Maryland, 2009
[3] Suga K., Numerical study on heat transfer and pressure drop in multilouvered fins, Journal of Enhanced Heat Transfer 2 (3) 231-238
[4] Singh V., Simulation of air-to-refrigerant fin-and-tube heat exchanger with CFD-based air propagation, International Journal of Refrigeration 34 (8) 1883-1897
[5] Sun L., Evaluation of elliptical finned-tube heat exchanger performance using CFD and response surface methodology, International Journal of Thermal Sciences 75 45-53
[6] Perrotin T., Thermal-hydraulic CFD study in louvered fin-and-flat-tube heat exchangers, International Journal of Refrigeration 27 (4) 422-432
Door Dr. Andreas Zürner, Research, Güntner
Afbeeldingen: Güntner