Blower-Coupler Optimierung durch Strömungssimulationen

Die Optimierung eines Blower-Couplers (Verbindungsstück) wurde mithilfe von CFD-Simulationen durchgeführt, um den Druckabfall zu minimieren. Durch eine Kombination aus generativem Design und adjoint-basierter Optimierung konnte die Strömungsführung signifikant verbessert werden. Das finale Bauteil wurde additiv gefertigt und experimentell validiert. 

Dieser Artikel befasst sich mit den folgenden Themen:

• Problemstellung: Hoher Druckabfall zwischen den Anschlüssen eines Blower-Couplers.
• Lösungsansatz: Iterative Optimierung durch CFD-Simulationen in ANSYS Fluent.
• Methoden: Generatives Design und adjoint-basierte Optimierung.
• Ergebnis: Reduzierter Druckverlust, strömungsoptimierte Geometrie und erfolgreiche experimentelle Validierung.

Der Blower-Coupler ist ein Verbindungsstück für einen Lungen-Simulator. Bei diesem additiv gefertigten Bauteil mit drei Anschlüssen ist eine optimale Strömungsführung entscheidend, damit der gewünschte minimale Druckverlust erzielt werden kann. In dieser Analyse lag der Fokus auf der Reduktion des Druckverlusts zwischen Anschluss 2 und 3, um die Effizienz des Systems zu verbessern. Die anderen Verbindungen, wie beispielsweise zwischen Anschluss 1 und Anschluss 2, sind nicht relevant, weil in dieser Verbindung aufgrund des Designs des Gesamtsystems kein Fluss fliessen wird. CFD-Simulationen wurden genutzt, um verschiedene Designs zu verstehen, bewerten und zu optimieren.

In der ersten Iteration wurde klassisch im parametrischen CAD eine initiale Konstruktion ("Baseline") erstellt und mit ANSYS Fluent evaluiert. Ausserdem wurde zum Vergleich ein generativ entworfenes Design ("Generativ") erstellt. Das Simulationssetup ist auf Abbildung 2 zu sehen. Es wird eine stationäre Lösung berechnet.

Bereits in dieser Iteration konnten deutliche Verbesserungen gegenüber der initialen Konstruktion erzielt werden. Das generativ entworfene Bauteil führte zu einer besseren Strömungsführung, einer gleichmässigeren Druckverteilung und einer Reduktion von Verwirbelungen.

Basierend auf den Simulationsergebnissen der ersten Iteration und inspiriert durch die generativ erstellte Form wurde noch einmal im CAD eine weitere Geometrie erstellt ("Engineered"). Diese Geometrie diente als Ausgangspunkt für eine Strömungsoptimierung mithilfe des ANSYS Adjoint Solvers ("Optimized").

Hintergrund Adjoint Solver

Der ANSYS Adjoint Solver ist ein leistungsstarkes Optimierungswerkzeug, das in CFD-Simulationen verwendet wird, um Designverbesserungen effizient zu identifizieren. Anstatt mehrere Simulationen mit verschiedenen Geometrien durchzuführen, nutzt der Adjoint Solver eine mathematische Sensitivitätsanalyse, um gezielt Änderungen vorzuschlagen, die das gewünschte Ziel verbessern. In diesem Fall die Reduktion des Druckverlusts.

Die Vorteile dieser Methode liegen in ihrer Effizienz und Genauigkeit. Durch die automatische Identifikation von Bereichen mit hohem Optimierungspotenzial können gezielte Anpassungen vorgenommen werden, ohne dass zahlreiche Iterationen manuell durchgeführt werden müssen. Durch diese Methode konnten weitere Geometrie-Verbesserungen ("Optimized") erzielt und der Druckverlust weiter reduziert werden.

Auf Abbildung 6 sieht man die deutlich gleichmässigere Geschwindigkeitsverteilung der Strömung. Ausserdem sind die Maximalgeschwindigkeiten im optimierten Design deutlich tiefer. Bei der näheren Betrachtung der Stromlinien sieht man ausserdem die gleichmässige und glatte Verteilung. Der simulierte Druckabfall (statischer Druck) konnte um ca. 0.22 mbar verringert werden (siehe Abbildung 7), was mehr als 50% weniger Druckverlust ist im Vergleich zur «Baseline».

Nach der strömungsoptimierten Anpassung musste die Geometrie rekonstruiert werden, um ein physisches Bauteil fertigen zu können. Das durch den Adjoint Solver erzeugte Mesh musste in eine CAD-Geometrie rückgeführt werden. Hierbei wurden die strömungsoptimierten Merkmale extrahiert und in die Konstruktion überführt. ANSYS Discovery lieferte dazu die nötigen Werkzeuge. Dieser Schritt wird benötigt, um das Mesh zu glätten und einen wenig rechenintensiven Volumen-Körper zu erhalten. Die Konstruktion der Anschlüsse an den Rest des Systems wurde in SolidWorks durchgeführt.

Ein grosser Vorteil der additiven Fertigung in diesem Kontext ist die Möglichkeit, komplexe Innengeometrie zu realisieren, die mit konventionellen Fertigungsverfahren nicht oder nur schwer herstellbar wären. So konnten strömungsoptimierte Kanäle ohne scharfe Kanten oder abrupte Querschnittsänderungen realisiert werden, was die Reduktion des Druckverlusts ermöglichte.

Das optimierte Bauteil wurde in der internen SLS-Fertigung hergestellt und in einem Testsetup experimentell überprüft. Der Testaufbau ist auf Abbildung 10 zu sehen. Im Gegensatz zur Simulation wird der Druckverlust der Blower ebenfalls gemessen. Die Messungen bestätigten die prognostizierten Verbesserungen, wenngleich leichte Abweichungen zur Simulation auftraten. Die Reduktion des Druckabfalls zwischen Anschluss 2 und 3 mit dem Design «Optimized» ist ca. 0.26 mbar (Abbildung 11 links). Gründe für Abweichungen könnten der unterschiedliche Messaufbau im Vergleich zur Simulation sein, bei welchem zusätzlich die beiden Blower mitgemessen werden. Die Strömungssimulationen prognostizierten den Trend der experimentellen Ergebnisse jedoch präzise genug. Um die gleichen Messwerte zwischen «Blower» und «Optimized» zu erklären, wurde eine Messung in die entgegengesetzte Richtung zwischen Anschluss 3 und 2 gemacht. Diese zusätzliche Messung bestätigt die im Design «Optimized» erzielte Verbesserung im Druckabfall. Ausserdem ist der gemessene Druckabfall beim «Blower» nun wie erwartet messbar tiefer.

Durch die Kombination verschiedener Werkzeuge, darunter Simulationen, experimentelle Messungen, generativem Design und Optimierung, konnte eine leistungsfähige Konstruktion entwickelt werden, die die gestellten Anforderungen erfüllt. Die iterative Vorgehensweise mit CFD-Simulation und anschliessender Validierung erwies sich als effektiver Ansatz zur Verbesserung des Blower-Couplers. Besonders die additive Fertigung spielte eine entscheidende Rolle, da sie eine hohe Gestaltungsfreiheit ermöglichte und komplexe, strömungsoptimierte Geometrien ohne zusätzliche Fertigungsrestriktionen realisierbar machte.

Zukünftig könnten weitere Optimierungsmassnahmen durch den Einsatz von Multi-Objektiv-Optimierungsmethoden erfolgen, um neben dem minimalen Druckverlust zwischen Anschluss 2 und 3 weitere Ziele wie beispielsweise der Druckverlust in die entgegengesetzte Richtung zwischen Anschluss 3 und 2 zu minimieren.