Strömungstechnik

Die Strömungstechnik beeinflusst in erster Linie die technische Effizienz von Produkten, Geräten und Anlagen. Ein weiterer Aspekt in der Produktentwicklung können durch Strömung verursachte Geräusche sein. Selbst wenn diese in technischer Hinsicht irrelevant sind, können sie die wahrgenommene Qualität eines Produkts negativ beeinflussen. Das kann den Markterfolg des Produkts gefährden.

M.TEC kennt die physikalischen Hintergründe der Geräuschentstehung und liefert nachhaltig belastbare Lösungen für strömungsmechanische Fragen.

Weniger Druckverluste – bessere Funktionalität

In strömungstechnischen Bauteilen auftretende Druckverluste können die Effizienz und Funktionalität von Produkten stark verschlechtern. Druckverluste treten bei ungünstiger Strömungsführung auf. Die Folge sind Strömungsabrisse (Rezirkulationen). Strömungsabrisse entstehen beispielsweise durch

  • scharfe Umlenkungen im Strömungskanal
  • abrupte/unstete Querschnittsveränderungen des Strömungskanals
  • ungünstige Anströmung von Elementen innerhalb des Strömungskanals

Um die Produktfunktionalität strömungstechnischer Geräte abzusichern ist eine möglichst stabile, gleichmäßige Strömung wichtig. Wie stellt man eine optimale Strömungsführung sicher?

Bei der Optimierung bestehender Produkte erreicht man verbesserte Strömungsverläufe durch Anpassungen der Bauteilgeometrie oder den Einsatz von zusätzlichen strömungsführenden Elementen.

Bei Neuentwicklungen gilt es, im Rahmen der Gegebenheiten die günstige Strömungsführung von Anfang an zu berücksichtigen und frühzeitig im Entwicklungsprozess mit Simulationen zu validieren.

Weniger Energiebedarf – höhere Wirtschaftlichkeit

In der Strömungstechnik ist das oberste Ziel, den Wirkungsgrad von Produkten und Geräten zu steigern. Je höher der Wirkungsgrad eines Bauteils oder Produkts desto wirtschaftlicher arbeitet es. Der Energiebedarf sinkt und damit die Betriebskosten. Druckverluste erhöhen den Energiebedarf – innerhalb der Produktentwicklung hat es daher hohe Priorität, Druckverluste zu reduzieren. Das betrifft einzelne funktionstragende Bauteile genauso wie ganze Baugruppen und Systeme, die auf eine günstige Strömungsführung hin ausgelegt oder überarbeitet werden.

Die Wirtschaftlichkeit ist über die Betriebskosten hinaus auch in Bezug zu gesetzlich vorgeschriebenen Energieeffizienzlabeln relevant. Sie können in der Hausgerätetechnik beispielsweise Kaufentscheidungen beeinflussen. Energieeffizienzlabel sind für den Markterfolg eines Produkts relevant. Die Normen und Regularien müssen in jeder Phase der Produktentwicklung bekannt sein und berücksichtigt werden.

Optimierte Bauteilauslegung – Robustheit

Strömungsführende Bauteile sind in vielen Anwendungen hohen bis extremen Belastungen ausgesetzt, wie etwa in der Motorentechnik im Automobilbau. Hierbei geht es um Druckbelastungen, Verformungen, Dehnungen, Spannungen und thermische Belastungen.

Know-how aus unterschiedlichen Bereichen der Produktentwicklung ist nötig, um robuste strömungsmechanischer Bauteile zu konstruieren: Entwicklung & Konstruktion bzw. kunststoffgerechtes Konstruieren, Simulation & Berechnung und Expertise zum Materialverhalten. Dabei müssen alle Bauteileigenschaften, die sich aus der Fertigung ergeben (beispielsweise Anisotropien bzw. die Faserorientierung), berücksichtigt werden.

Akustik – Qualitätswahrnehmung

Strömungen erzeugen Geräusche. Eine Geräuschentstehung kann vom Anwender oder Endverbraucher als negativ empfunden werden. Geräusche suggerieren möglicherweise eine "mindere Produktqualität". Dabei spielt es oft keine Rolle wie hoch der Wirkungsgrad und die Funktionserfüllung tatsächlich sind.

Produkte und Geräte, die sehr leise arbeiten, werden als qualitativ höherwertig wahrgenommen. Die Akustik in der Produktentwicklung steht mit der Strömungstechnik häufig in einem direkten Zusammenhang. Hausgeräte kommen im Wohnbereich zum Einsatz (Staubsauger, Waschmaschine, Wäschetrockner, Haartrockner, Geschirrspüler etc.). Positive akustische Eigenschaften kommen der Produktqualität entgegen, sie können sogar Kaufargument sein.

Strömungssimulation zur Validierung

Die Strömungssimulation dient als Entwicklungswerkzeug innerhalb der Produktentwicklung zur Validierung. Sie zeigt den Einfluss einzelner strömungstechnischer Parameter wie Temperatur, Druck und Oberflächenbeschaffenheit.

Im Vergleich zu Messungen am echten Bauteil hat die Strömungssimulation einige Vorteile:

  • In messtechnisch unzugänglichen Umgebungen macht sie Strömungen "sichtbar" und bewertbar
  • Sie beeinflusst die Strömung nicht
  • Lange vor dem Bau von Prototypen liefert sie verlässliche Aussagen zur Funktionserfüllung und zum Wirkungsgrad

Sie ist häufig der einzige Weg zur Bewertung von strömungstechnischen Fragen. Trotz höherer Rechenintensität ist sie häufig ein wirtschaftlich einsetzbares Entwicklungswerkzeug.

Produktanwendungen, Einsatzfelder

Bewegung flüssiger / gasförmiger Medien (Fluide)

  • In geschlossenem System (Rohre, Leitungen); Pneumatik, Hydraulik
  • In offener Umgebung (frei strömend)
  • Umströmung von Fahrzeugen
  • Gebläse/Lüfter (Gase/Luft)
  • Schwappen von Flüssigkeiten in einem Tank
  • Motoransaugtrakt (Kanäle, Luftfilter, Ansaugrohr, …)

Regulierung von Durchflussmengen

  • Ventile

Kontinuierliche Dosierung

  • Medizintechnik, Bereich Pharma (Verabreichung pharmazeutischer Mittel)
  • Pumpen (Flüssigkeiten) jeder Dimension – von Mikrodosierung (z. B. Medizin) bis zum Wasserwerk sowie Produktionstechnik (Abfüllung, …)
  • Pumpen; Mikrodosierung (Medizin) bis Wasserkraftwerk, Produktionstechnik (Abfüllung)
  • Wasserwerk

Zusammenführen von Strömungen / Mischungen

  • Eine bestmögliche Durchmischung von Fluiden innerhalb der Randbedingungen erreichen
  • Mischersimulation, z. B. für Zweikomponentenkleber

Strömungsgünstiges Design (Aerodynamik, Hydrodynamik)

  • Strömungswiderstand verringern: Bessere Energieffizienz, sprich weniger Energie zur Bewegung nötig (Autos, Lastwagen, Flugzeuge, Schiffe, ...)

Strahlbildung, gezielte Strömungsbeeinflussung

  • Hochdruckreiniger
  • Bewässerungssysteme (Ausströmerelemente)

Verteilung eines Mediums

  • Gleichmäßige Anströmung funktionstragender Bauteile wie etwa Lüfterräder

Fremdstoff-Transport

Stoffe werden mithilfe eines strömenden Mediums bewegt.

  • Wasser/Feuchtigkeit (Wäschetrockner)
  • Festkörper (Staubsauger)

Wärmetransport, Kühlstrategien

  • Konvektiver Wärmetransport (Wärmemitführung durch ein strömendes Fluid)
  • Temperierung Spritzgießwerkzeug
  • Klimatisierung (Automotive, Haustechnik)
  • Gebläse zur Luftkühlung: Motor, Elektronikkomponenten
  • Batterietechnik

Referenzen

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