CFD til optimering af systemer med væsker
Computational Fluid Dynamics (CFD) er et effektivt værktøj til optimering af systemer, der indeholder væsker. CFD kan bl.a. øge effektiviteten og sikkerheden og løse diverse designudfordringer.
I CFD bruger man avancerede matematiske modeller og numeriske teknikker, i stedet for fysiske modeller, til at udforske fluiddynamik i f.eks.
- desinfektion af ballastvand
- spildevandsbehandling
- akvakultur og RAS-anlæg (recirculating aquaculture systems)
- termisk styring af væske- og luftkølet elektronik
- produktionsprocesser i fødevareindustrien
- hydrauliske systemer
- kølesystemer.
CFD kan fremskynde designprocessen og hjælpe med at udvikle mere effektive, bæredygtige og pålidelige systemer uden brug af dyre og tidskrævende fysiske modeller.
CFD-simulering til optimering af desinfektionssystemer til ballastvand
Det var lige præcis det, R&R Consult gjorde for vores kunde, Ankron Water Services GmbH. Vi brugte CFD-simulering til at optimere et desinfektionssystem til ballastvand og gøre det mere miljøvenligt.
Ankron Water Services er specialister i innovative tekniske løsninger til vandfiltrering og desinfektion, bl.a. desinfektionssystemer til ballastvand til skibe.
En af Ankrons kunder havde udviklet en velfungerende basismodel, der var blevet testet og godkendt af klassifikationsmyndighederne. Nu ville de gerne opskalere enheden til større kapacitetsbehov.
At opnå godkendelse fra klassifikationsselskabet til de opskalerede enheder krævede yderligere validering.
Dette var lidt af en udfordring, for som de fleste virksomheder havde producenten designet, udviklet og testet den mindste enhed i serien for at spare tid og omkostninger.
Det ville være dyrt og tidskrævende at oprette større testsystemer — især fordi kapaciteten af den største enhed ville være 20 gange større end den godkendte base-enhed.
Derfor bad Ankron Water Services på deres kundes vegne, R&R Consult om at lave en CFD-simulering af de opskalerede systemer for at påvise og dokumentere, at de opskalerede enheder ville præstere lige så godt som, eller bedre end, den godkendte base-enhed.
Derfor er rensning af ballastvand vigtigt
Effektiviteten af ballastvandsrensning er afgørende af miljømæssige, økonomiske og sundhedsmæssige årsager.
Når skibe tager ballastvand ind ét sted og udleder det et andet sted, bliver forskellige maritime organismer, bakterier og alger utilsigtet transporteret sammen med vandet.
Hvis ballastvandet ikke er renset godt nok, før det udledes, kan der ryge invasive arter med, som kan sætte økosystemet ud af balance og skade biodiversiteten. Det kan have betydelige økonomiske konsekvenser. Ballastvandet kan også indeholde patogener, bakterier og vira, der kan udgøre en sundhedsrisiko.
For at undgå skadelige konsekvenser sender man ballastvandet gennem et rensningsanlæg, hvor skadelige organismer fjernes eller neutraliseres, før ballastvandet udledes.
Rensningsanlæggets funktion
Når et skib tager ballastvand ind fra havnen, pumpes vandet ind i ballasttanken. I dette tilfælde tilsættes ozon i hovedballastledningen for at desinficere vandet.
Før det behandlede vand udledes igen, neutraliseres det for at forhindre skade på økosystemet fra kemikalierne i vandet.
Klassifikationsselskabet havde anmodet om en skaleringsanalyse af base-enhed, så man kunne vurdere effektiviteten af injektionssystemet til ozon og neutraliseringsmiddel i hovedballastledningen.
Sådan brugte R&R Consult CFD-simulering til at optimere ballastvandsrensningen
R&R Consult CFD-simulerede de opskalerede rensningssystemer. Vi evaluerede opblandingen med ozon og neutraliseringsmiddel i ballastvandet på flere parametre, bl.a. hvor koncentrationen var mindst og størst samt spredning på koncentrationen.
De opskalerede enheder til udledning af ballast havde begge en mindst lige så god eller bedre opblanding end den godkendte enhed og design blev derfor godkendt.
Det var anderledes for systemet til ballastvandindtag. Simuleringen afslørede, at koncentrationen af Ozon i store områder af ballastvandsindsugningen var over eller under basisenhedens (se figur med Ozonkoncentration). De opskalerede enheder opfyldte med andre ord ikke opblandingskravene og kunne derfor ikke godkendes.
Årsagen til den dårlige opblanding blev analyseret gennem de detaljerede CFD- resultater af hastighedsfordeling og opblandingen. Analysen viste også årsagen til, at opblandingen ikke var god nok og vi konkluderede at forholdet mellem hastigheden på ballastvandet og ozonblandingen ikke var skaleret hensigtsmæssigt.
Vi foreslog at forbedre opblandingen ved at ændre på diameteren af dysen til indsprøjtning af ozonblandingen.
Baseret på vores CFD-analyse og anbefalinger lavede producenten nogle simple designændringer i ozonindtaget. Det resulterede i markant forbedret og hurtigere opblanding (se figur med Ozonkoncentration med ændret diameter). Dermed fik de skalerede enheder til udledning af ballastvand en mindst lige så god eller faktisk noget bedre opblanding end den godkendte basisenhed.
Godkendelse og certificering
Det sidste, der manglede for at få certificeret de skalerede enheder, var en godkendelse fra DNV GL. Det er et globalt klassifikationsselskab, der kvalitetssikrer og certificerer, bl.a. at offshore-strukturer og indenfor det maritime område opfylder sikkerhedskrav, miljøkrav og ydelsesstandarder.
DNV GL krævede meget grundig og omfattende dokumentation af alle aspekter af vores beregningsmodel for at verificere vores resultater.
R&R Consult har stor erfaring med dokumentation til klassifikationsselskaber fra en bred vifte af projekter, bl.a. Desmi CompactClean og Ventilering af Maskinrum efter rørbrud.
Derfor havde R&R Consult et godt udgangspunkt for et godt samarbejde med DNV GL og Ankron Water Services kunde modtog autoriseret certificering til brug i sin markedsføring og til yderligere udvikling af deres produktserie.
Fordele ved brug af CFD-simulering til design, validering and optimering af ydeevne
Som casen viser, så er CFD-simulering et effektivt redskab til at løse de udfordringer, der måtte opstå, når man vil opskalere et allerede godkendt system:
- CFD er et fremragende verifikationsværktøj, fordi det gør det muligt at numerisk at validere systemer og procesenheder. Så slipper man for besværlige og dyre fysiske tests. Det gælder særligt, når man vil opskalere enheder til større kapacitet.
- CFD-simuleringer giver detaljerede visuelle illustrationer af systemet, hvilket giver en dybere forståelse af produktet. Det er afgørende, når man vil optimere og evaluere skalerede enheder.
Den ekstra dimension af detaljer, som R&R Consult kunne bidrage med, gjorde valideringsprocessen mere effektiv. Med vores erfaring og ekspertise fik kunden ikke kun succes, men også en miljømæssig mere bæredygtig løsning.
Vil du vide mere om, hvordan vi kan hjælpe dig med at designe eller optimere dit produkt?