Verifikation von Simulationsergebnissen, Ausweitung der Modellierungstiefe in den Bereich des Feinvakuums

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Andreas Brümmer
• Subject Area: Fluid Mechanics
• Term: from 2009 to 2013
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 100410726

Ziele des beantragten Forschungsprojektes sind:- Die experimentelle Verifikation der im Forschungsprojekt „Energetische Auslegung von Rotationsverdränger-Vakuumpumpen (KA663/42)“ erarbeiteten theoretischen Grundlagen für den Druckbereich des Grobvakuums, 1000 > pan [mbar] > 1, [1],- die Ausweitung des bei der energetischen Auslegung von Rotationsverdränger - Vakuumpumpen betrachteten Druckbereichs auf das Feinvakuum 1 > pan [mbar] > 10-3- und die experimentelle Verifikation der sich ergebenden Erkenntnisse im Feinvakuum.Im gegenwärtig auslaufenden Forschungsprojekt „Energetische Auslegung von Rotationsverdränger- Vakuumpumpen“ wird sowohl mit Hilfe der Simulationstechnik als auch unter Anwendung von maschinenbeschreibenden Kennzahlen der Einfluss der Geometrieparameter auf den Gütegrad der Vakuumpumpe untersucht. Die laufenden Untersuchungen charakterisieren das Maschinenverhalten im Ansaugdruckbereich 1000 > pan [mbar] > 1. Die Auslegungskriterien beschreiben bei nahezu allen analysierten Geometrieparametern der Verdränger Bereiche, in denen einzelne Betriebsparameter, z.B. das Saugvermögen oder der Maschinengütegrad, maximale Werte annehmen. Allerdings liegen die Bereiche besonders günstiger Betriebsparameter bei unterschiedlichen Quantitäten der Geometrieparameter vor, so dass die Kombination der einzelnen Auslegungskriterien eine noch zu bewältigende Forschungsarbeit darstellt.Die bisherige Verifikation des für die Untersuchung verwendeten Simulationssystems beschränkt sich auf den Druckbereich des Grobvakuums in Kombination mit einer isochoren Spindelgeometrie. Um eine möglichst vollständige Übertragbarkeit der teilweise auf anderen thermodynamischen Zustandsänderungen basierenden Simulationsergebnisse zu gewährleisten, ist eine experimentelle Verifikation notwendig. Hierzu sollen für unterschiedliche Geometrieparameter Prototypen der Verdränger gefertigt werden, um im Experiment die theoretischen Optimierungsaussagen verifizieren zu können. Zusätzlich liefert der Vergleich zwischen Theorie und Experiment Aussagen über die notwendige Modellierungstiefe.Die bereits realisierte Modellierungstiefe des zurzeit auslaufenden Forschungsprojektes beschränkt sich auf den Druckbereich des Grobvakuums. Der tatsächliche Arbeitsbereich der Schraubenspindel-Vakuumpumpen reicht aber weit in den Bereich des Feinvakuums mit Ansaugdrücken bis 10-4 mbar. Eine Erweiterung des abzubildenden Ansaugdruckbereiches in das Gebiet des Feinvakuums war bis vor kurzem mit den zur Verfügung stehenden Mitteln der Simulationstechnik kaum möglich. Forschungsergebnisse aus einem parallelen Forschungsprojekt des Antragstellers mit dem VDMA (Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.V.) erlauben nunmehr die Ausweitung des betrachteten Ansaugdruckbereiches in den Druckbereich des Feinvakuums. Hauptsächlich lässt hierbei die Abbildung des Einflusses einer bewegten Spaltberandung auf den Spaltmassenstrom eine Verbesserung der Abbildungsgüte erwarten. Der erweiterte Abbildungsbereich der thermodynamischen Simulation ermöglicht es, auch Aussagen über die Leistungsfähigkeit der Schraubenspindel- -Vakuumpumpe im Bereich des Feinvakuums zu erarbeiten. Er erschließt damit die Möglichkeit, diesen für den industriellen Einsatz wichtigen Druckbereich durch Variation der Verdrängergeometrie energetisch zu analysieren und die Auslegungskriterien auf diesen Bereich auszudehnen.Nach Abschluss der theoretischen Arbeiten ist, analog zum ersten Teil des beantragten Projektes, die experimentelle Verifikation der erarbeiteten Auslegungskriterien auch für den Bereich des Feinvakuums vorgesehen. Die erworbenen Erkenntnisse der Zusammenhänge von Geometrieveränderungen und Leistungsänderungen im Grobvakuum und Feinvakuum können auf diese Weise bestätigt werden.

• DFG Programme: Research Grants