Uit literatuurstudie blijkt dat de pulsatie van de externe tandwielpomp wordt veroorzaakt door de kinematica van het ontwerp (de vorm van de tandwielen en hun rotatiesnelheid) en wordt beïnvloed door vloeistofdynamica (de viscositeit, samendrukbaarheid etc.) van het rubber.
Omdat we de vorm van de tandwielen niet wilden wijzigen, hebben we ons gericht op het aanpassen van de rotatiesnelheid door verschillende periodieke snelheidsprofielen te testen. Deze profielen zijn zowel met CFD-simulaties als experimenteel onderzocht, waarna de resultaten met elkaar vergeleken zijn.
stromingsmodellering van de tandwielpomp.
Om de simulatietijd te minimaliseren, zijn de CFD-berekeningen in 2D uitgevoerd. De geometrie is gebaseerd op de experimentele machine (zie figuur 3). Aan het eind van het modeldomein is een poreus medium met hoge weerstand toegevoegd om de weerstand van de spuitkop te simuleren.
Een grote uitdaging was het definiëren van een geschikte mesh voor de berekeningen. Bij roterende geometrieën wordt vaak een combinatie van stationaire en roterende meshes gebruikt, maar dit was vanwege het in elkaar grijpen van de tandwielen niet mogelijk.
Het gebruik van een tijdsafhankelijke mesh, waarbij voor elke tijdstap een nieuwe mesh wordt gegenereerd, bleek te tijdrovend en resulteerde in onvoldoende nauwkeurigheid om de hoge druk- en snelheidsgradiënten tussen de tandwielen goed te modelleren.
Daarom is TwinMesh-software gebruikt om een gestructureerde mesh te creëren die zich tussen de tandwielen kan vervormen. Hierbij blijft de structuur van de mesh constant, en veranderen alleen de rotatie en compressie van de elementen. Dit verhoogt zowel de nauwkeurigheid als de snelheid van de simulatie aanzienlijk.
Het niet-Newtoniaanse gedrag van het rubber vereiste ook extra aandacht. De viscositeit van het rubber verandert namelijk afhankelijk van de schuifspanning, druk en temperatuur. Deze effecten zijn geïntegreerd in het materiaalmodel, waarbij we speciale aandacht hebben besteed aan de koppeling tussen snelheid en druk om instabiliteit te voorkomen.
experimentele analyse.
De experimentele opzet van de externe tandwielpomp is in meer detail in figuur 4 te vinden. De druksensoren in de machine bevinden zich op dezelfde plaats als in de CFD-simulatie. Dezelfde snelheidsprofielen zijn gebruikt in de experimenten en de CFD-simulaties. Twee verschillende rubbers zijn getest, ieder met verschillend niet-Newtoniaans gedrag.
resultaten.
In de animatie (Fig. 5) is te zien hoe het rubber bij lage druk de pomp binnenkomt (links). De tandwielen duwen het rubber langs de buitenkant van de pomp naar de hogedrukzijde (rechts), waar de tandwielen in elkaar grijpen en het rubber richting de uitlaat persen. De periodieke ineenhaking van de tandwielen, zichtbaar in de grafiek in de animatie, resulteert in een pulserend drukprofiel, vergelijkbaar met de gemeten pulsaties in Figuur 2.
De resultaten in de animatie zijn gebaseerd op een constante draaisnelheid van de tandwielen. Door een periodieke variatie in deze snelheid toe te passen, verandert de resulterende pulsatie. Verschillende snelheidsprofielen zijn getest; ter illustratie is het driehoekvormige profiel weergegeven in Figuur 6. De grafieken tonen de druk- en doorsnedepulsatie bij een constante rotatiesnelheid in het blauw, met aan de linkerzijde de simulaties en aan de rechterzijde de experimentele data van drie verschillende metingen. Om de vergelijking te vereenvoudigen, is de data genormaliseerd en dimensieloos weergegeven. In het oranje zien we de variatie in druk en doorsnede als gevolg van de driehoekige variatie in rotatiesnelheid, weergegeven in het grijs in de linker afbeelding. Zowel de simulaties als de experimenten laten een vergelijkbare verandering in de profielen zien.
We concluderen dat de simulatie kan worden gebruikt om het pulsatiegedrag te voorspellen en daarmee een indicatie te geven van de kwaliteit van de geëxtrudeerde rubberstrook, zonder dat experimenten nodig zijn. Dit vereenvoudigt het ontwerpproces aanzienlijk en kan leiden tot aanzienlijke besparingen in zowel manuren als machinegebruik.
"stroming visualiseren"
Het begrijpen van de interne dynamica van een systeem kan een complexe opgave zijn, vooral wanneer alleen de output beschikbaar is, zoals in dit geval de geëxtrudeerde rubberstrip en een druksensor. Computational Fluid Dynamics (CFD)-simulaties bleken echter van onschatbare waarde bij het aanpakken van deze uitdaging.
De CFD-simulaties van de pomp gaven een helder inzicht in de interne stromingsdynamica van het rubber, waardoor het pulserende gedrag beter kon worden begrepen. Daarnaast maakten de simulaties het mogelijk om een nieuwe aanpak voor het beïnvloeden van dit pulsatiegedrag te testen, iets wat met uitsluitend experimenteel onderzoek aanzienlijk kostbaarder zou zijn geweest.
