Es gibt zahlreiche hydraulische und pneumatische Bauteile mit zwei Anschlüssen bzw. Strömungsöffnungen, deren Eigenschaften genau bekannt sind und die nicht in jeder Strömungssimulation neu berechnet werden sollten.
Ein Beispiel dafür sind Lüfter. In SolidWorks Flow Simulation ist eine umfangreiche Bibliothek von Lüftern verfügbar. Diese Lüfter sind durch ihre statische Lüfterkennlinie beschrieben, die die Abhängigkeit zwischen Druckabfall und geförderter Fluidmenge enthält (Bild 1).
Bild 1: statische Kennlinie eines Lüfters aus der SolidWorks Bauteilbibliothek
Die beiden Eckwerte auf dieser Kennlinie sind die Förderleistung im Leerlauf und der Druck bei blockiertem Lüfter.
Da der Lüfter ein aktiver Zweipol ist, verläuft die Kennlinie nicht durch den Koordinatenursprung.
Es gibt nun jedoch zahlreiche weitere Bauteile, die als Strömungszweipole beschrieben werden können, insbesondere verschiedenste Ventile. Dafür gibt es in SolidWorks Flow Simulation keine vorgefertigten Modellbibliotheken, so dass diese Bauteile eigentlich detailliert mitberechnet werden müssten, obwohl ihre Strömungscharakteristik genau bekannt ist.
Nun ist aber die Implementierung des Lüftermodells in SolidWorks Flow so allgemein gehalten, daß dieses Modell auch für andere Zweipole genutzt werden kann.
Das soll im Folgenden an drei Bauteilen beschrieben werden:
1. Rückschlagventil
Ein Rückschlagventil ist dadurch gekennzeichnet, daß es Strömung nur in der Durchlaßrichtung zuläßt, während in Sperrichtung höchstens ein sehr kleiner Leckstrom fließen kann. Eine sehr einfache statische Kennlinie ist in Bild 2 gezeigt. Da das Rückschlagventil ein passives Bauelement ist, geht dessen Kennlinie durch den Ursprung des Koordinatensystems. Die Vorzeichen für Druck und Volumenstrom ergeben sich aus der ursprünglichen Implementierung des Zweipolmodells als Lüfter.
Bild 2: statische Kennlinie eines Rückschlagventils als benutzerdefinierter "Lüfter" in der SolidWorks Bauteilbibliothek
Wichtig bei der Verwendung dieses Modells ist, daß die Kennlinie nur die statischen Eigenschaften beschreibt. Zur Beschreibung dynamischer Effekte im Ventil ist dieses Modell nicht geeignet. Wenn die Reaktionszeiten des Ventils jedoch klein gegenüber den Änderungsraten im Gesamtaufbau sind, dann ist dieses Modell sehr gut geeignet.
In Bild 3 sind ein Druckverlauf und der sich ergebende Volumenstrom durch ein Ventil mit der in Bild 2 gezeigten Kennlinie dargestellt. Erkennbar sind ein geringer Strömungswiderstand in Durchlassrichtung und ein druckabhängiger Leckstrom.
Bild 3: berechneter Volumenstrom durch das Rückschlagventil für einen eingeprägten Druckverlauf
2. Druckbegrenzer
Der Druckbegrenzer soll unabhängig vom Eingangsdruck den Druck am Auslaß auf einen vorgegebenen Wert begrenzen. Die zugehörige Kennlinie könnte in etwa so wie in Bild 4 dargestellt sein: ab einem vorgegebenen Druck am Auslaß schließt das Ventil und es fließt nur noch ein sehr kleiner Leckstrom. Nun verlangt aber das Zweipolmodell des Lüfters in SolidWorks eine Kennlinie derart, daß der Druck eine eindeutige Funktion des Volumenstromes ist. Die gezeigte Kennlinie erfüllt diese Anforderung nicht. Deshalb ist zur Modellierung die Nutzung einer weiteren Funktionalität von SolidWorks erforderlich. Es wird die Möglichkeit genutzt, ein Zweipolmodell in Abhängigkeit von einer gemessenen Größe ein- und auszuschalten, wobei eine Hysterese vorgegeben werden kann.
In Bild 5 ist der berechnete Druckverlauf an einem Druckbegrenzer gezeigt, der am Einlaß mit wechselndem Druck beaufschlagt und an dessen Auslaß ein konstanter Volumenstrom entnommen wird. Deutlich erkennbar ist die eingestellte Hysterese von 0.1 bar.
Bild 4: Prinzip der Kennlinie eines Druckbegrenzers
Bild 5: Berechneter Druckverlauf am Ausgang eines Druckbegrenzers für einen eingeprägten Druckverlauf am Eingang und konstanter Volumenentnahme am Ausgang
3. Durchflussbegrenzer
Die Kennlinie eines einfachen Durchflussbegrenzers ist in Bild 6 gezeigt: ab einem bestimmten Volumenstrom steigt der Druckabfall über dem Bauteil stark an, so daß der Durchfluß begrenzt wird.
Bild 6: Statische Kennlinie eines Durchflussbegrenzers als benutzerdefinierter "Lüfter" in der SolidWorks Bauteilbibliothek
Die sich ergebende Durchflusskurve für einen Druckverlauf ist in Bild 7 dargestellt. Klar erkennbar ist die Begrenzung des Volumenstromes auf den gewünschten Wert entsprechend der Bauteilkennlinie.
Bild 7: Berechneter Volumenstrom durch den Durchflussbegrenzer für einen eingeprägten Druckverlauf
4. Zusammenfassung
Die Implementierung des zweipoligen Bauteiles "Lüfter" in SolidWorks beruht auf einer Kennlinie des Druckabfalles als Funktion des Volumenstromes. Diese Form der Implementierung erlaubt es, ein Bauteil vom Typ Lüfter auch für andere zweipolige Bauteile zu verwenden, deren quasistatisches Verhalten durch eine Kennlinie vom Typ Volumenstrom-Druck oder Massenfluß-Druck beschrieben werden kann. Eine Erweiterung auf nichteindeutige Volumenstrom-Druck-Kennlinien ermöglicht die Funktionalität, dieses Bauteil in Abhängigkeit gemessener Parameter ein- und auszuschalten.
Somit wird es dem Nutzer möglich, eine eigene Bibliothek hydraulischer und pneumatischer Zweiportbauteile anzulegen, um damit eine effektive Berechnung fluidischer Systeme zu erreichen.
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Dr.-Ing. Peter Voigt ist SolidWorks Simulation Specialist bei MB CAD GmbH und im Bereich Support, Consulting, Schulung und Presales tätig.
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