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In die CAD-Umgebung integrierte CFD-Software beschleunigt die Entwicklung eines innovativen Spülventils
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EFD.Lab, die in eine CAD-Umgebung integrierte CFD-Software (Computational Fluid Dynamics, rechnergestützte
Simulation des dynamischen Verhaltens von Gasen und Flüssigkeiten) hat es während der Entwicklung eines innovativen
Spülventils bei Johnson Design ermöglicht, konstruktive Probleme mit Hilfe von Softwaresimulationen zu lösen. Ein
besonderes Merkmal des Johnson Design Spülventils Denali Flushometer liegt darin, dass es - unabhängig von der Position
der Drosselung der Rollmembran, die bei der Montage des Ventils in einer beliebigen Position eingebaut wird – immer eine
feste Wassermenge liefert.
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Dustin Borg, Engineering Manager bei Johnson Design, hat EFD.Lab dazu eingesetzt, die Leistung des Ventils bei
allen Stellungen der Drosselung innerhalb der vollen 360 Grad zu untersuchen, um sich zu versichern, dass es in
jeder Stellung die korrekte Wassermenge abgibt. „Dadurch, dass wir verschiedene Entwicklungskonzepte per Software
simulieren konnten, statt eine Reihe von Prototypen bauen zu müssen, hat EFD.Lab die zur Optimierung der Konstruktion
benötigte Zeit erheblich verkürzt,“ erklärte Borg hierzu.
Spülventile nutzen die Druckdifferenz zwischen den Steuerkammern am Ein- und Auslass. Wenn das Steuerventil betätigt wird,
entleert es die Steuerkammer, verringert damit deren Druck und leitet so mit dem Öffnen der Rollmembran den Spülzyklus ein.
Rollmembranen haben den Vorteil, dass nur ein sehr kleiner Bereich dem Differenzdruck ausgesetzt ist. Dadurch sind die
auftretenden Kräfte im Vergleich zu Flachmembranen mit großem Durchmesser sehr viel geringer. „Normalerweise ist es nicht
möglich, im Voraus die Position der Drosselung der Rollmembran nach dem Zusammenbau des Ventils zu bestimmen,“ erläuterte
Borg. „Das hat bei früheren Entwicklungen von Membranventilen dazu geführt, dass ein Ventil 4,5 Liter abgab und ein anderes
Ventil des gleichen Typs 4,9 Liter. Wir hatten uns vorgenommen, dieses Problem bei der Entwicklung des Denali Flushometer
dadurch zu lösen, dass der Druck, dem das Ventil auf seinem Umfang ausgesetzt ist, gleichmäßiger sein sollte.“
“Geschwindigkeitsverteilung im Querschnitt in der Mitte des Ventils”
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“Druckverteilung im Querschnitt in der Mitte des Ventils”
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„Das wäre in einer herkömmlichen Entwicklung mit Hilfe von Prototypen eine schwierige Aufgabe gewesen, denn wir hätten
das Ventil immer wieder zerlegen und mit einer leicht versetzten Position der Rollmembran wieder zusammenbauen müssen,“
so Borg. „Wir hätten keine Möglichkeit gehabt, die Strömungsverhältnisse innerhalb des Ventils sichtbar zu machen und
wenn es bei einer bestimmten Position ein Problem gegeben hätte, wäre uns zur Lösung nur eine Mischung aus Intuition und
Ratespiel geblieben. Mit EFD.Lab war der Weg bis zur Lösung viel kürzer. EFD.Lab unterschied in unserem CAD-Modell
automatisch zwischen den festen Bereichen und den Hohlräumen und erstellte eine Zellenstruktur der Hohlräume zur Vorbereitung
der Strömungsanalyse. Wir haben die Durchflussrate und die Druckverhältnisse am Eingang und Ausgang eines ähnlichen, bereits
vorhandenen Ventils gemessen und diese als Randbedingungen verwendet. Die Analyse hat uns als Ergebnis die Strömungsgeschwindigkeit
und den Druck an jeder Stelle im Ventil geliefert. Die Möglichkeit, die Strömungsverhältnisse innerhalb des Ventils sichtbar zu
machen, ließ die Ursachen für Druckschwankungen leicht erkennen. So konnten wir mit wenigen Änderungen und in kurzer Zeit einen
gleichmäßigen Druck auf dem gesamten Umfang des Ventils erreichen. Der anschließend gebaute Prototyp hat genau wie erwartet
funktioniert und unabhängig von der Position der Rollmembran immer den gleichen Durchsatz geliefert.“
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“Geschwindigkeitsverteilung im Querschnitt in der Mitte des Ventils”
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“Geschwindigkeitsverteilung & Vektoren im Querschnitt in der Mitte des Ventils”
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