Das Unsichtbare sichtbar machen: Wie CFD zu einem besseren Ventilatordesign beiträgt

„Oft wird angenommen, dass die Entwicklung eines Ventilators mit einem neuen Flügel- oder Ventilatorgehäusedesign beginnt. Tatsächlich beginnt sie jedoch mit dem Verständnis dafür, wie sich Luft verhält.“

Bram – Aerodynamikingenieur bei Vostermans Ventilation

Im Gegensatz zu den Flügeln oder dem Motor ist der Luftstrom nicht sichtbar. Dennoch bestimmt er nahezu jeden Aspekt der Leistung eines Ventilators. Effizienz, Luftleistung, Druckaufbau, Wurfweite und sogar die Geräuschentwicklung hängen davon ab, wie sich die Luft durch den Ventilator und um ihn herum bewegt. Das Verständnis des Luftstroms ist daher entscheidend für die Entwicklung leistungsstärkerer Ventilatoren bei Vostermans Ventilation.

Entwicklung beginnt mit Fragen

Bei der Entwicklung eines neuen Ventilators geht es selten darum, einen einzigen großen Durchbruch zu erzielen. Viel häufiger geht es darum, viele kleine Fragen zu stellen.

• Wie beeinflusst ein anderes Flügelprofil die Effizienz?

• Kann der Luftstrom gleichmäßiger durch den Ventilator geführt werden?

• Was passiert, wenn die Geometrie des Ventilatorgehäuses verändert wird?

• Wie viel Energie geht durch Turbulenzen verloren?

• Wie kann das aerodynamische Geräusch reduziert werden, ohne die Luftleistung zu beeinträchtigen? 

„Jede Designentscheidung beeinflusst den Luftstrom“, erklärt Bram. „Unsere Herausforderung besteht darin, genau zu verstehen, wie sich diese Entscheidungen auf die endgültige Leistung des Ventilators auswirken.“

Diese Antworten allein mithilfe physischer Prototypen zu finden, würde enorm viel Zeit in Anspruch nehmen. Hier hat Computational Fluid Dynamics (CFD) den Entwicklungsprozess grundlegend verändert.

Luftstrom sichtbar machen

CFD ermöglicht es Ingenieuren, den Luftstrom zu simulieren, noch bevor der erste Prototyp gefertigt wird. Anstatt mehrere physische Konstruktionen zu bauen, bewerten die Ingenieure ihre Ideen zunächst in einer virtuellen Umgebung. Luftgeschwindigkeit, Druckverteilung und turbulente Strömungsstrukturen werden sichtbar und liefern wertvolle Erkenntnisse darüber, wie sich ein Ventilator verhält, lange bevor Labortests beginnen.

„Die Simulation selbst ist nicht das Ziel“, erklärt Bram. „Das Ziel ist es, die Physik hinter dem, was wir sehen, zu verstehen.“ Durch die Visualisierung des Luftstroms können Ingenieure aerodynamische Verluste erkennen, alternative Konstruktionen vergleichen und besser verstehen, warum sich ein Konzept anders verhält als ein anderes.

*Luftströmung visualisiert mittels CFD

Kleine Details, messbare Unterschiede

Einer der interessantesten Aspekte der Aerodynamik ist, dass scheinbar kleine Details einen messbaren Einfluss auf die Leistung haben können. Ein Beispiel dafür ist der Spalt zwischen der Flügelspitze und dem Ventilatorgehäuse. Obwohl dieser Spalt nur wenige Millimeter breit ist, kann Luft um die Flügelspitze herumströmen, anstatt durch den Ventilator zu fließen. Der dabei entstehende Spitzenwirbel stellt einen aerodynamischen Verlust dar, den Ingenieure möglichst gering halten wollen. CFD macht diese Strömungsphänomene sichtbar und hilft Ingenieuren zu verstehen, wie Flügelgeometrie, Spaltmaß und Gehäusedesign die Gesamtleistung beeinflussen.

Von der Simulation zu marktführenden Produkten

Der Nutzen von CFD zeigt sich besonders deutlich, wenn die Technologie zu Produkten beiträgt, die sich in der Praxis durch hervorragende Leistung auszeichnen. Bei der Entwicklung des Multifan AirBreeze spielte CFD eine wichtige Rolle bei der Bewertung zahlreicher aerodynamischer Konzepte, noch bevor Prototypen im Labor getestet wurden. Durch die Kombination von aerodynamischer Expertise, CFD-Simulationen und umfangreichen Labortests optimierten die Ingenieure den Ventilator hinsichtlich Luftleistung, Energieeffizienz und akustischer Leistung.

*Luftstromintenzität im Kontakt mit dem Multifan AirBreeze-Laufrad

Die gleiche Entwicklungsphilosophie wurde bei der Entwicklung des Multifan Venturon angewendet. Verschiedene Ventilatorgehäusedesigns, Schaufelgeometrien und Luftströmungseigenschaften wurden analysiert, sodass die Ingenieure während des gesamten Entwicklungsprozesses fundierte Konstruktionsentscheidungen treffen konnten.

*Mithilfe von CFD visualisierte Luftströmung während der Entwicklung des Multifan Venturon

Heute zählen beide Produktfamilien in Bezug auf Leistung, Energieeffizienz und Geräuschpegel zu den führenden Produkten auf dem Markt. Auch wenn jedes erfolgreiche Produkt das Ergebnis der Zusammenarbeit vieler verschiedener Fachbereiche ist, hat sich CFD zu einem unverzichtbaren Werkzeug für das Verständnis und die Optimierung der aerodynamischen Leistung entwickelt.

 Obwohl CFD zu einem unverzichtbaren Werkzeug in der Entwicklung geworden ist, ist die Simulation niemals die endgültige Antwort. Jedes numerische Modell wird anhand von Labormessungen validiert, um sicherzustellen, dass die virtuellen Vorhersagen die Realität präzise abbilden. „Eine Simulation ohne Validierung ist nur eine Visualisierung“, erklärt Bram. Durch den kontinuierlichen Vergleich von Simulationen mit gemessenen Leistungsdaten verbessern die Ingenieure sowohl ihre numerischen Modelle als auch ihr Verständnis des Luftstroms. 

Kontinuierlich dazulernen

Für Bram beginnt jedes Projekt mit Neugier. Keine zwei Ventilatorkonstruktionen verhalten sich exakt gleich und jede Neuentwicklung liefert neue Erkenntnisse über den Luftstrom. „Je besser wir die Physik verstehen, desto fundierter werden unsere Entwicklungsentscheidungen. Dieses kontinuierliche Streben nach Wissen treibt unsere Innovation bei Vostermans Ventilation voran. Denn die Entwicklung besserer Ventilatoren beginnt nicht mit Motoren und Flügelrädern. Sie beginnt mit dem Verständnis des Unsichtbaren.“