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Projektbeispiel: Design eines schallarmen Axialventilators für Luft-beaufschlagte Wärmetauscher
Numerische Optimierung eines Axialventilators unter Berücksichtigung der Akustik und Aerodynamik
Luft-Wärmepumpen bestehen in der Regel aus einer externen Einheit mit einem Axialventilator, der die Luft durch den Wärmetauscher bläst (Abbildung 1). Um die Lärmbelästigung zu reduzieren, versuchen die Hersteller eine möglichst geräuscharme Konfiguration zu erreichen und dabei den angestrebten Druck und Volumenstrom beizubehalten. Ziel dieses Projekts war die Entwicklung eines geräuscharmen Ventilators mit einem angemessenen Wirkungsgrad an mehreren Betriebspunkten unter Berücksichtigung struktureller und geometrischer Einschränkungen.
Um ein geräuscharmes Lüfterdesign zu erhalten, wurde ein automatisches Optimierungsverfahren entwickelt (Abbildung 2). Diese Optimierung ist multidisziplinär, da die Zielfunktion die Auswirkungen der Aerodynamik (RANS CFD), der Akustik (Ton- und Breitbandmodelle), der Struktur (FEM) und der geometrischen Einschränkungen berücksichtigt. Für die Optimierung wurde ein adaptiver Surrogate-Optimierer verwendet. Diese Art von Optimierer tastet nicht nur den Raum der Entwurfsvariablen ab und erstellt ein anfängliches Surrogate-Modell auf der Grundlage der ausgewerteten Punkte, sondern verbessert das Modell adaptiv, wenn neue Auswertungen der Zielfunktion berechnet werden.
Die automatisch erstellten Entwürfe wurden in ein CAD-System importiert und mit geometrischen Details versehen, um die Geräuschemissionen noch weiter zu reduzieren. Die endgültigen Geometrien wurden mit selektivem Lasersintern 3D-gedruckt und auf einem im Rahmen dieses Projekts entwickelten modularen Prüfstand montiert (Abbildung 3).
Unsere Projektpartner an der Empa und am OST haben die akustischen und aerodynamischen Eigenschaften der verschiedenen Designs gemessen. Zusätzlich wurden ähnliche Ventilatoren von verschiedenen Herstellern als Referenz gemessen. Der Vergleich zwischen unseren besten Designs und der Referenz zeigt, dass wir die akustische Leistung noch weiter verbessern konnten, während der erforderliche Volumenstrom und Lüfterdruck beibehalten wurde.