Bericht Uni MD Gestaltung Bemessung Bestueckung … · stabil abläuft, ohne dass der Strahl zerfällt oder spritzt. 6. Die Konturen der Klappe samt Einbauten sind derart auszubilden,

OTTO-VON-GUERICKE-UNIVERSITÄT MAGDEBURG Fakultät für Verfahrens- und Systemtechnik Institut für Strömungstechnik und Thermodynamik Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. H. J. Kecke

Abschlußbericht

zur

Gestaltung, Bemessung, Bestückung, Herstellung und zum Test der Umschaltapparatur für die Mess-Strecke DN 150

Teil: Gestaltung, Bemessung sowie strömungsseitige Untersuchung und Test

Auftraggeber: Staatshochbauamt Braunschweig II Auftrag-Nr.: 1181/97 Bericht: SL – 09/99 Umfang: 34 Blatt Bearbeiter: Prof. Kecke Dr. Praetor D. Meinecke Magdeburg, Dezember 1999 Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Kecke

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Inhalt des Berichtes 1. Aufgabenstellung 2. Auslegung der DN 150-Apparatur 3. Ergebnisse der Strömungsfeldberechnung 4. Schlussfolgerungen aus den experimentellen Voruntersuchungen 5. Experimentelle Analyse der Ausflussapparatur 5.1 Zum Luftaustrag 5.2 Zum Zerfall des Austrittsstrahles 5.3 Zur Strahlqualität 5.4 Geschwindigkeitsverteilung/ Strömungsverhältnisse Übersicht zu den übergebenen Teilberichten

3

1. Aufgabenstellung Für das Hydrodynamische Prüffeld der Physikalisch - Technischen Bundesanstalt war die Umschaltapparatur für die Volumenstrommessung auszulegen und nach ihrem Bau in strömungstechnischer Hinsicht zu überprüfen. Vorgesehen sind drei Anlagen in jeweils folgenden Volumenstrombereichen: - 0.3 bis 30 m³/h bei Zuströmleitung DN 40, - 3 bis 320 m³/h bei Zuströmleitung DN 150, - 24 bis 2100 m³/h bei Zuströmleitung DN 400. Die vorgegebene Leitungsführung ist aus Bild 1 ersichtlich: - Vertikal-aufwärts-Strecke, - Umlenkung um 180°, - Vertikal-abwärts-Ausströmen aus einer verstellbaren Düse, - Hosenrohr-Klappe zur Strömungsführung in den Wägebehälter bzw. in den Tiefbehälter. Anzustreben war eine weitgehendst geometrisch ähnliche Ausführung der einzelnen Apparaturen. Einschränkungen sind gegeben durch die Lage und Abmessung der Wägebehälter sowie insbesondere die Höhenbegrenzung und Neigungszuordnung zur Gebäudedachkonstruktion (betreffend die DN 400 - Anlage), siehe Bild 2.

Bild 1: Anlagenprinzip

4

Bild 2: Bauliche Gegebenheiten

Folgende Anforderungen im Einzelnen waren vorgegeben: 1. Die Klappe muss die Strömung umlenken, ohne dass störende Rückwirkungen auf den

Kreislauf zu vermerken sind. 2. Das Wasser darf nicht zerstäubt werden. 3. Die eintretende Strömung muss durch einen hydraulisch optimierten Diffusor von einem

runden in einen Rechteckquerschnitt überführt werden, wobei gleichzeitig eine Richtungs-änderung auftritt. Die Strömung soll durch Einbau von Leitblechen so geführt werden, dass unter allen Betriebsbedingungen eine gleichmäßige Anströmung mit gleicher Geschwindigkeitsverteilung über den Austrittsquerschnitt vor dem Klappenblatt erreicht wird.

4. Das aus der Düse austretende Geschwindigkeitsprofil darf eine Unsymmetrie von max. 2%, bezogen auf die mittlere Geschwindigkeit, nicht überschreiten.

5. Die Ausströmdüse ist in ihrer Breite verstellbar, so dass sie den unterschiedlichen Durchflüssen angepasst und so eingestellt werden kann, dass das Wasser bei geringem Druckverlust in einem satten, symmetrischen Strahl mit scharf ausgebildeten Konturen stabil abläuft, ohne dass der Strahl zerfällt oder spritzt.

6. Die Konturen der Klappe samt Einbauten sind derart auszubilden, dass sie vom Wasser turbulenzarm durchströmt werden und keine Rückströmungen und kein Aufwärtskriechen des Strahles an schräg angeströmten Ablaufflächen eintritt.

7. Strömungsgeschwindigkeit in der Austrittsdüse: Vorschlag ca. 2.4 m/s oder nach praktischer Erkenntnis.

8. Druckverlust: max. ca. 0.05 bar. Generell lässt sich dazu feststellen: 1. Die Strömung muss um 180° ungelenkt werden. Krümmer bewirken eine Ungleich-

verteilung der Strömung mit zusätzlichen Sekundärströmungen. Somit war der letzte Krümmer mit der minimal möglichen Umlenkung auszuführen.

2. Leitbleche im Krümmer bewirken einen entsprechenden Nachlauf. Somit können nur beim ersten Krümmer Leitbleche zum Einsatz kommen.

3. Eine Gleichverteilung der Geschwindigkeit an einem Düsenaustritt, hier insbesondere nach einem Krümmer, kann nur durch eine entsprechende Beschleunigung vor dem Austritt erreicht werden. Als Orientierung kann hierfür ein Flächenverhältnis von ≥ 4:1 genannt werden.

5

4. Die Einschnürung der Strömung durch die Düse muss auf Grund der Verstellbedingung in der Breite vorgenommen werden. Unter Bezug auf die vorzusehende Einschnürung wirkt sich dies auf die Breite des vorgelagerten Krümmers aus, wodurch die negativen Auswirkungen einer Krümmerdurchströmung größerer Breite nicht zu unterbinden sind.

5. Bei der Bemessung des Diffusors ist zum Einen zu beachten, dass keine Ablösung der Strömung auftritt (Einhaltung des Diffusorkriteriums). Zum Anderen besteht die Gefahr einer instabilen Strömung bei zu starker Diffusorerweiterung bedingt durch zu kleine Geschwindigkeiten bzw. Reynolds-Zahlen (gemäß vorgesehenem Durchsatzbereich beträgt das Verhältnis etwa 100:1).

6. Zur Vermeidung einer Klappenrückwirkung auf den Austrittsstrahl ist ein freier Austritt ohne sofortige Umlenkung zu sichern. Der Auftreffwinkel auf die Klappe ist zur Vermeidung einer Walzenbildung bzw. Zerstäubung minimal auszuführen.

2. Auslegung der DN 150-Apparatur Bei Einhaltung einer Austrittsgeschwindigkeit von Aw = 2.4 m/s und einem Einschnürungs-verhältnis von 4:1 (auch für 320 m3/h Durchsatz) ergeben sich die folgenden Werte:

Düsen- Öffnungsbreite Düseneintritt tiefe 3m³/h 320m³/h Breite Re / 3m³/h Re / 320m³/h mm mm mm mm - - 1000 0,35 37 148 1,49⋅103 1,55⋅105 750 0,46 49 197 1,76⋅103 1,87⋅105 450 0,77 82 329 2,14⋅103 2,28⋅105

Gegen eine solche Ausführung sprechen die geringen Öffnungsbreiten bei minimalem Durchsatz sowie die niedrigen Reynolds - Zahlen und weiterhin die große Breite des der Düse vorgelagerten Krümmers. Davon ausgehend wurden verschiedene Varianten bei numerischer Berechnung der Strömungsverhältnisse untersucht. In die Betrachtung [1, 2] wurden einbezogen: Zulässige Düsenaustrittsgeschwindigkeit 0.5 ... 5 m/s Verringerung der Einschnürung bis 2:1 Der vorgesehene Volumenstrom - Stellbereich wurde also aufgegliedert in einen Geschwindigkeitsbereich von 1:10

und einen Düsenöffnungsbereich von ebenfalls 1:10. Im Ergebnis dieser Untersuchungen wurde zur Ausführung die in Bild 3 angegebene Variante vorgeschlagen. Diese Variante ist gekennzeichnet durch:

Durch- Düsenaus- Öffnungs- Düsenein- Reynolds - Düse satz trittsgeschw. breite schnürung Austritt Eintritt m³/h m/s mm -

3 0,5 3,7 21,6:1 3,67⋅103 3,14⋅105 320 4,94 40 2:1 3,63⋅105 3,35⋅105

6

70° Rohrsegmente Verstelldüse

Sichtfenster

Bild 3: Gestaltungsvorschlag für die Ausflussapparatur Die Berechnungen ergaben, dass in diesem Arbeitsbereich die geforderte maximal zulässige Unsymmetrie des Austrittsvolumenstromes von 2% eingehalten wird. Nach dem Diffusorkriterium ist keine Ablösung zu erwarten, was auch die Berechnungen belegen. Hinsichtlich der Reynolds - Zahl ist die Stabilität der Strömung vor dem Düseneintritt bei minimalem Durchsatz schon stark gefährdet, ausgeglichen wird dies jedoch durch die in einem solchen Fall starke Einschnürung im Düsenverlauf. 3. Ergebnisse der Strömungsfeldberechnung Zur Strömungsfeldberechnung wurde das Programmsystem CFX-TASCflow bei Nutzung des Standard k-ε-Modells herangezogen. Den gesamten Arbeitsbereich zeigt nochmals Bild 4. Als Einsatzbegrenzung wird vorgeschlagen:

w min = 0.5 m/s w max = 5 m/s bmin = 3.7 mm bmax = 40 mm Die Ausflussapparatur wurde gemäß Abb. 1 mit 260 000 Zellen vernetzt; zum Teil wurde die gegebene Symmetrie bei den Berechnungen genutzt. Für die Anbindung an die Wand wurde y+ im Wesentlichen mit 30 bis 300 eingehalten.

7

1 10 100 1000

Volumenstrom [m³/h]

0

10

20

30

40

50

60Öffnungsbreite [mm]

3 320

0,5 m/s 2,5 m/s 5,0 m/s

3,7

Bild 4: Arbeitsbereich der DN 150-Apparatur Im Ergebnis der Berechnung liegen die Druck- und Geschwindigkeitsverteilungen vor. Abb. 2 verdeutlicht an Hand der Isotachen die Profilumbildung im Düsenbereich. Einen Gesamt-eindruck bei einem mittleren Durchsatz vermitteln die Abbildungen 3 und 4. 1)

Die Austritts-Geschwindigkeitsverteilungen sind in den Abbildungen 5, 6 und 7 dargestellt. Die aus der Integration über den gesamten Querschnitt sich ergebende Ungleichverteilung nach

UV

VV

ges

ia =−&

&&

beträgt bei gesV& = 97.2 m³/h:

b [mm] Aw [m/s] U [%] 20 3 0,42 40 1,5 1,80 60 1 4,27

_______________ 1) Die in diesem Bericht angegebenen Druckverteilungen in Abbildungen berücksichtigen nicht die überlagerte, geodätisch bedingte Druckverteilung.

8

Abb. 1: Vernetzung der kompletten PTB – Düse mit Leitblechen im ersten Krümmer

s = 20 mm s = 40 mm s = 60 mm Abb. 2: Geschwindigkeitsverteilung im Bereich der Düse ( V& = 97.2 m³/h) 2)

___________ 2) Breite der Düsenöffnung auf den Abbildungen bezeichnet mit s

9

Abb. 3: Berechnete Druckverteilung in der Symmetrieebene ( V& = 97.2 m3/h, s = 40.0 mm, Aw = 1.5 m/s)

Abb. 4: Berechnete Geschwindigkeitsverteilung in der Symmetrieebene ( V& = 97.2 m3/h, s = 40.0 mm, Aw = 1.5 m/s)

10

0 2,5 5 7,5 10-2,5-5-7,5-10

Breite [mm]

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5Geschwindigkeit [m/s]

Tiefet = 225 mm t = 150 mm t = 97.5 mm t = 52.5 mm

Abb. 5: Berechnete Geschwindigkeitsverteilung am Düsenende über die Breite für unterschiedliche Tiefen ( V& = 97.2 m3/h, s = 20.0 mm, Aw = 3.0 m/s)

0 5 10 15 20-5-10-15-20

Breite [mm]

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6




11

0 10 20 30-10-20-30

Breite [mm]

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1




42,5 45 47,5 50 52,5 55 57,5

Düsenöffnung [%]

40

42,5

45

47,5

50

52,5

55

57,5

60Volumenstrom [%]

Düsenöffnungs = 20 mms = 40 mms = 60 mmMittelwert

innen außen

Bild 5: Berechnete Volumenstromverteilung am Austritt der Düse ( V& = 97.2 m3/h)

12

Die Integration bezüglich des Volumenstromes von innen nach außen (normiert auf die jeweilige Breite = 100%) gibt Bild 5 an (dargestellt nur der mittlere Bereich der Düsen-öffnung). Der große Durchsatzbereich war Anlass, die Verhältnisse ergänzend bei V& = 3 m³/h und V& = 320 m³/h ebenfalls zu überprüfen. Es ergeben sich hierfür folgende Ungleichver-teilungen:

V& [m³/h] b [mm] Aw [m/s] ReA U [%] 3 3,7 0,5 3,67.10³ 0,034

320 40 4,938 3,63.105 1,78 Die zugehörigen Austritts - Geschwindigkeitsverteilungen sind in den Abbildungen 8 und 9 angegeben. Wie zu erwarten, führt die sehr starke Einschnürung (Abb. 8) zu einem sehr ausgeglichenen Profil. Die Geschwindigkeitsverteilung bei 320 m³/h (Abb. 9) im Vergleich zu der bei 97.2 m³/h (Abb. 6) lässt erkennen, dass mit der Durchsatzzunahme ebenfalls eine, wenn auch geringe, Vergleichmäßigung eintritt. Bezüglich der Druckdifferenzen vom Eintritt bis zum Austritt ergibt die Berechnung gemäß ∆pges = pges,E - pges,A = ∆pVerlust folgende Werte:

V& [m³/h] b [mm] Aw [m/s] ∆pges [Pa] 97,2 20 3,0 403 97,2 40 1,5 294 97,2 60 1,0 278 16,2 20 0,5 20

3 3,7 0,5 26 320 40 4,94 2605

Für die beiden Grenzfälle 3 bzw. 320m³/h Durchsatz sind ergänzend die Geschwindigkeits- und Druckverteilungen im Düsenbereich in den Abbildungen 10 und 11 angegeben.

13

0 0,5 1 1,5 2-0,5-1-1,5-2

Breite [mm]

0

0,1

0,2

0,3

0,4




0 5 10 15 20-5-10-15-20

Breite [mm]

0

1

2

3

4

5

6Geschwindigkeit [m/s]


Abb. 9: Berechnete Geschwindigkeitsverteilung am Düsenende über die Breite für unterschiedliche Tiefen ( V& = 320 m3/h, s = 40.0 mm, Aw = 4.94 m/s)

14

Geschwindigkeitsverteilung Druckverteilung Abb. 10: Berechnete Verteilungen ( V& = 3.0 m3/h, s = 3.7 mm, Aw = 0.5 m/s)

Geschwindigkeitsverteilung Druckverteilung Abb. 11: Berechnete Verteilungen ( V& = 320 m3/h, s = 40.0 mm, Aw = 4.94 m/s)

15

4. Schlussfolgerungen aus den experimentellen Voruntersuchungen Zur Beobachtung der Strömungsverhältnisse wurde eine Ausflussarmatur im Maßstab 2:3 gebaut und untersucht [5]. Gegenstand der Untersuchungen war insbesondere die Strahlausbildung bzw. die Strahl-qualität. Hinsichtlich der Oberfläche des Strahles konnte festgestellt werden: glatte Oberfläche: Re < 6 . 104 wellige Oberfläche: 6 . 104 > Re > 12 . 104 schuppige Oberfläche: Re > 12 . 104 Bei Reynolds - Zahlen größer 105 dürfte dann eine raue Oberfläche zu erwarten sein. Darüber hinaus konnte festgestellt werden, dass ein Ab- bzw. Aufreißen des Strahles stattfindet bei Geschwindigkeiten gemäß Bild 6. Die Übertragung dieser Verhältnisse auf die DN 150-Apparatur ist, wenn auch mit Ein-schränkungen, nach Bild 7 möglich. Es zeigte sich hinsichtlich der Oberflächengüte des Strahles darüber hinaus ein deutlicher Einfluss der Oberflächengüte der Düse. Rautiefen < 1µm lieferten, wie zu erwarten, deutlich bessere Ergebnisse als aufgeraute Oberflächen.

0 10 20 30 40 50

Breite [mm]

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5


mit

ohneStörung

Bild 6: Grenzen der Strahlzerstörung

16

0 50 100 150 200 250 300 350


0

10

20

30

40

50


w=0,5m/s

w=2,5m/sw=5,0m/s

3,7

Re=

1000

0

Re=

5000

0

Re=

1000

00

Re=

2000

00

Re=

3000

00

Re=

4000

00

Bild 7: DN 150 – V& , Aw , b, Re - Schaubild Untersucht wurde weiterhin der Luftaustrag vom Hochpunkt der Apparatur. Dies sowohl unter dem Gesichtspunkt des Anfahrens der Anlage als auch des zumeist gegebenen Unterdruckes am Hochpunkt. Voraussetzung für den Luftaustrag ist ein sich ausbildender geschlossener Austrittsstrahl. Dies ist sicher gegeben bei

mit einem Druckprofil in etwa nach Bild 8. In diesem Fall muss eine Blase nur entgegen dem Druckgradienten bis zum Düsenanfang getragen werden, danach erfolgt ein beschleunigter Austrag. Als Mindestaustragsgeschwindigkeit im Hochpunkt erwies sich eine Geschwindigkeit von 0.5m/s als ausreichend. Vorstehende Verhältnisse auf die DN 150-Apparatur übertragen, ergäbe sich: V& min = 65 m³/h bei dabei einer Düsenöffnung von bmax = 10 mm.

( )ww2gh 2

HP2A−

ρ≥ρ

17

Bild 8: Druckverlauf im Austrittsbereich Hinsichtlich einer Walzenausbildung bzw. Zerstäubung des Strahles beim Auftreffen auf die Umschaltklappe konnte ein zulässiger Winkel von etwa 7° beobachtet werden. Dieser Wert sollte also möglichst nicht überschritten werden. 5. Experimentelle Analyse der Ausflussapparatur Nach dem Bau und dem Aufbau der Apparatur an der Mess-Strecke des Institutes waren die Voraussagen und Berechnungen zu überprüfen. Hinsichtlich der Geometrie wurde festgestellt, dass geringfügige Abweichungen gegenüber der Auslegung vorlagen (s. Bild 9). Am ehesten von Einfluss ist die Verkürzung der Vorlaufstrecke vor der Düse; Düsenlängen- und –breitenabweichung wirken sich lediglich auf die exakte Zuordnung der Geschwindig-keiten aus.

Verstelldüse

Bild 9: Ausgeführter Düsenbereich

Hochpunkt

Düseneintritt

Düsenaustritt ppAtm

18

In strömungstechnischer Hinsicht wurden überprüft: - der Luftaustrag beim Anfahren, - das Abreißen bzw. Zerfallen des Austrittsstrahles, - die Strahlqualität, die Strahloberfläche, - die Geschwindigkeitsprofile. 5.1 Zum Luftaustrag In Kapitel 4 wurde eine Mindestgeschwindigkeit von 0.5 m/s am Hochpunkt genannt. Das konnte bestätigt werden, ist jedoch nicht zu empfehlen. Bei dem zugehörigen Durchsatz von 65 m³/h stellt sich am Hochpunkt eine stabile Wehr-Überlaufströmung ein. Die Luft wird unter diesen Bedingungen nur sehr allmählich ausge-tragen. Die Verdoppelung des Durchsatzes, also die Erhöhung der Austraggeschwindigkeit auf 1m/s, bei dabei einem Rückstau vom Austrittspunkt bis zum Hochpunkt, führt zu einem wesentlich schnelleren Luftaustrag. Es sind dann auch größere Blasen austragbar. Zu empfehlen ist somit: V& größer 130 m3/h bei b = 20 mm oder kleiner. 5.2 Zum Zerfall des Austrittsstrahles Auch diesbezüglich konnten die Ergebnisse der Voruntersuchungen (s. Bild 6) nachvollzogen werden. Mit abnehmender Geschwindigkeit nimmt der Unterdruck in die Düse hinein zu. Dies wird verstärkt mit abnehmender Einschnürung. Bei voller Öffnung von b = 40 mm sollte somit eine Austrittsgeschwindigkeit von 0.6 m/s nicht unterschritten werden; bei b = 10 mm kann dieser Wert schon auf 0.4 m/s abgesenkt werden. 5.3 Zur Strahlqualität Unter Pkt. 4 wurde hinsichtlich der Strahlqualität auf die Reynolds - Zahl Bezug genommen. Bild 7 zeigt die geringe Variationsmöglichkeit hinsichtlich Re bei gegebenem Durchsatz. Die Versuche belegen die dominante Abhängigkeit von der Reynolds - Zahl. Somit verliert die gewählte Öffnungsbreite der Düse und damit die Größe der Austrittsgeschwindigkeit an Bedeutung. Gesichtspunkten, wie der Strahlprofilgüte und der Umschaltzeit können somit mehr Gewicht beigemessen werden. Es folgt daraus ein zu empfehlender Arbeitsbereich in etwa nach der Angabe in Bild 10.

19

0 50 100 150 200 250 300 350


0

10

20

30

40

50


w=0,5m/s

w=2,5m/sw=5,0m/s

3,7

Re=

1000

0

Re=

5000

0

Re=

1000

00

Re=

2000

00

Re=

3000

00

Re=

4000

00

w=1,0m/s

Bild 10: Zu empfehlender Arbeitsbereich 5.4 Geschwindigkeitsverteilung/ Strömungsverhältnisse Die Messungen wurden zur Bestätigung der Berechnungsergebnisse vorgenommen. Zum Einsatz kam die Laser-Doppler-Velocimetrie mit den Gerätedaten:

Wellenlänge: 514.5 nm Strahlabstand: 60.0 mm Strahldurchmesser: 0.05 mm Streifenabstand: 5.15 µm Brennweite: 600 mm Höhe des Messvolumens: 0.05 mm Länge des Messvolumens: 1.0 mm genutzte Tracer: TiO2, 3 µm

Bedingt durch das endliche Messvolumen, auch den Bias-Effekt bei Messungen im Bereich großer Geschwindigkeitsgradienten werden die mittlere Geschwindigkeit sowie der Turbulenzgrad nicht exakt erfasst. Für die hier anstehende Untersuchung der Geschwindigkeitsprofil-Unsymmetrie sollen diese Einflüsse nicht weiter beachtet werden. Bei einer Datenrate von etwa 300Hz zeigte sich eine starke Abhängigkeit der Glätte der Geschwindigkeitsprofile von der Messzeit, siehe hierzu Bild 11. Genutzte kürzere Messzeiten lassen jedoch dennoch eine gute Einschätzung der gemessenen Profile zu.

20

0 10 20 30 40-10-20-30-40

Breite [mm]

Meßzeit = 1 s Meßzeit = 5 s Meßzeit = 25 s Meßzeit = 60 s

Bild 11: Geschwindigkeitsprofile bei unterschiedlichen Messzeiten im Vergleich Entsprechend der Zugänglichkeit im Düsenbereich wurden Messungen an zwei Stellen – Messort 1 und Messort 2 nach Bild 12 – vorgenommen.

Bild 12: Genutzte Mess-Stellen

21

Der Vergleich zwischen Mess- und Berechnungsergebnissen wurde dann nicht exakt für die gleichen Bedingungen vorgenommen. Ursachen sind - Abweichungen des Messortes vom Berechnungsort auf Grund der Vernetzung, - nicht exakte Einstellung der Düsenöffnung, - die schon genannten Geometrieabweichungen. Dies wird insbesondere bei den Absolutwerten der verglichenen Geschwindigkeiten deutlich. Gemessen wurde vor allem bei einem mittleren Wert des Durchsatzes, bei 97.2 m³/h, was eine mittlere Austrittsgeschwindigkeit von 3 m/s bei b = 20 mm bedeutet. Ergänzend wurden Messungen mit 16.2 m³/h vorgenommen ( Aw = 0.5 m/s bei b = 20 mm). Die Geschwindigkeitsverteilung am Messort 1 über die Breite erweist sich als nicht erkennbar abhängig von der Düsenöffnung:

Abb. 13: berechnete Geschwindigkeitsverteilungen, Abb. 14: gemessene Geschwindigkeitsverteilungen, Abb. 15: gemessene Geschwindigkeitsverteilungen im Vergleich bei t = 50 mm, Abb. 16: gemessene Geschwindigkeitsverteilungen im Vergleich bei t = 100 mm, Abb. 17: gemessene Geschwindigkeitsverteilungen im Vergleich bei t = 150 mm, Abb. 18: gemessene Geschwindigkeitsverteilungen im Vergleich bei t = 225 mm.

Bedeutungsvoller ist der Vergleich der Geschwindigkeitsverteilungen kurz vor dem Düsen-austritt: Abb. 19, 20: Geschwindigkeitsverteilungen bei b = 20 mm, Abb. 21, 22: Geschwindigkeitsverteilungen bei b = 40 mm, Abb. 23, 24: Geschwindigkeitsverteilungen bei b = 60 mm. Bei der Düsenöffnung von b = 20 mm (Einschnürungsverhältnis 4:1) bestätigt sich die erwartet gute Gleichverteilung. Auch bei der Düsenöffnung von b = 40 mm entspricht das Profil den Erwartungen. Erkennbare Abweichungen deuten daraufhin, dass die durch den vorgelagerten Krümmer verursachten Sekundärströmungen bei der Berechnung nicht exakt erfasst werden. Dies zeigte sich zwangsläufig auch beim Vergleich der Ergebnisse am Messort 1 (Abb. 13, 14). Die Ergebnisse bei der Düsenöffnung von b = 60 mm bestätigen die erwartete größere Unsymmetrie. Die Geschwindigkeit im Außenbereich ist jedoch in geringerem Maße von der Tiefe abhängig; im Innenbereich verschieben sich die Abhängigkeiten. Auch hier ist dies durch die differenzierte Erfassung der Sekundärströmungen erklärbar. Die Querkontrolle der Geschwindigkeitsverteilungen über die Tiefe in Kanalmitte

Abb. 25: Geschwindigkeit in Abhängigkeit von der Kanaltiefe bei b = 40 mm, Messort 2

bestätigt die Tendenz des Geschwindigkeitsabfalles von der Seitenwand aus, dies jedoch über die Mitte hinaus. Diese Tiefenunsymmetrie erklärt sich durch die schon gegebene Unsymmetrie am Messort 1: Abb. 26: Geschwindigkeit in Abhängigkeit von der Kanaltiefe am Messort 1. Es zeigt sich hier die starke Empfindlichkeit des symmetrischen bzw. unsymmetrischen Aufbaues der Ausflussarmatur insgesamt, die Auswirkung von Sekundärströmungen bei Strömungsumlenkungen. Beim Versuchsaufbau am Institut liegt der der Apparatur vorgelagerte Krümmer nicht in der Symmetrieebene.

22

0 10 20 30 40-10-20-30-40

Breite [mm]

0

0,2

0,4

0,6

0,8



Abb. 13: Berechnete Geschwindigkeitsverteilung am Meßort 1 über die Breite für unterschiedliche Tiefen ( V& = 97.2 m3/h, s = 20.0 mm, Aw = 3.0 m/s)

0 10 20 30 40-10-20-30-40

Breite [mm]

0

0,2

0,4

0,6

0,8


Tiefet = 225 mm t = 150 mm t = 100 mm t = 50 mm

Abb. 14: Experimentell ermittelte Geschwindigkeitsverteilung am Meßort 1 über die Breite für unterschiedliche Tiefen ( V& = 97.2 m3/h, s = 60.0 mm, Aw = 1.0 m/s)

23

0 10 20 30 40-10-20-30-40

Breite [mm]

0

0,2

0,4

0,6

0,8


Öffnungs = 20 mm s = 40 mm s = 60 mm

Abb. 15: Experimentell ermittelte Geschwindigkeitsverteilung am Meßort 1 über die Breite für unterschiedliche Öffnungen ( V& = 97.2 m3/h, t = 50 mm)

0 10 20 30 40-10-20-30-40

Breite [mm]

0

0,2

0,4

0,6

0,8




24

0 10 20 30 40-10-20-30-40

Breite [mm]

0

0,2

0,4

0,6

0,8




0 10 20 30 40-10-20-30-40

Breite [mm]

0

0,2

0,4

0,6

0,8




25

0 5 10 15-5-10-15

Breite [mm]

0

0,5

1

1,5

2




0 5 10 15-5-10-15

Breite [mm]

0

0,5

1

1,5

2

2,5




26

0 5 10 15 20 25-5-10-15-20-25

Breite [mm]

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4




0 5 10 15 20 25-5-10-15-20-25

Breite [mm]

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4




27

0 5 10 15 20 25 30 35-5-10-15-20-25-30-35

Breite [mm]

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1




0 5 10 15 20 25 30 35-5-10-15-20-25-30-35

Breite [mm]

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1




28

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Tiefe [mm]

0

0,5

1

1,5

2

2,5


DüsenöffnungV = 16.2 m³/h V = 97.2 m³/h

Abb. 25: Experimentell ermittelte Geschwindigkeitsverteilung am Meßort 2 über die Tiefe im Mittelschnitt (senkrechte Komponente, s = 40 mm)

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Tiefe [mm]

0

0,2

0,4

0,6

0,8


DüsenöffnungV = 16.2 m³/h V = 97.2 m³/h

Abb. 26: Experimentell ermittelte Geschwindigkeitsverteilung am Meßort 1 über die Tiefe im Mittelschnitt (senkrechte Komponente, b = 80 mm)

29

Vorstehende Ergebnisse waren Anlass Kontrollmessungen bei V& = 16.2 m³/h, also w = 0.125 m/s im Vordüsenbereich, vorzunehmen. Bei der Einschnürung auf b = 20 mm entspricht dies dann quasi einem Ausströmen aus einem Kessel; das Austrittsprofil entspricht den Erwartungen: Abb. 27, 28: Vergleich der Geschwindigkeitsprofile vor dem Austritt. Am Messort 1 muss jedoch eine sehr instabile Strömung erwartet werden. Dies bestätigt sich insbesondere bei der waagerechten Geschwindigkeitskomponente: Abb. 29: waagerechte Geschwindigkeitskomponente am Messort 1. Das berechnete Feld der Querkomponente, die Sekundärströmung, zeigt Abb. 30. Bei dem auftretenden beidseitigen Doppelwirbel ist die Empfindlichkeit gegen Störungen verständlich. Anzumerken wäre auch nochmals, dass bei der Berechnung hydraulisch glatte Wände vorausgesetzt wurden und dass die Simulation turbulenter Strömungen (hier k-ε-Modell mit RNG-Erweiterung) wenn auch weit vorangetrieben, dennoch kein exaktes Berechnungs-verfahren darstellt. Im vorliegenden Fall wirkt sich dies erkennbar auf die Sekundär-strömungen aus. Bei den Messungen wurde ergänzend auch der Turbulenzgrad erfasst. Basis für die Auswertung ist letztlich das Histogramm der erfassten Signale; Bild 13 zeigt ein solches Beispiel, hier ein nahezu ideales Ergebnis.

Bild 13: Histogramm der Geschwindigkeitsmessung

30

0 5 10 15-5-10-15

Breite [mm]

0

0,1

0,2

0,3

0,4




0 5 10 15-5-10-15

Breite [mm]

0

0,1

0,2

0,3

0,4




31

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Tiefe [mm]

0

0,01

0,02

0,03

-0,01

-0,02

-0,03

Geschwindigkeit [m/s]

Experiment berechnet mit RNG-Erweiterung

Abb. 29: Geschwindigkeitsverteilung am Meßort 1 über die Tiefe im Mittelschnitt (waagerechte Komponente, V& = 16.2 m3/h, s = 20 mm) außen

innen Abb. 30: Berechnete Sekundärströmung am Meßort 1 ( V& = 16.2 m3/h, s = 20.0 mm,

Aw = 3.0 m/s, Standard k-ε-Turbulenzmodell mit RNG-Erweiterung)

32

Ermittelte Turbulenzgrade bei dem ausgemessenen Feld mittleren Durchsatzes sind in den Abbildungen 31, 32, 33 angegeben. Sie entsprechen erwarteten Werten für Kanalströmungen. Deutlich ist die turbulenzdämpfende Wirkung der Beschleunigung ersichtlich: Flächenverhältnis 4:1 : Tu ≈ 2% Flächenverhältnis 2:1 : Tu ≈ 4% Flächenverhältnis 4:3 : Tu ≈ 6% Auch eine Zuordnung der Verläufe im Einzelnen zu den Querschnitten bzw. zum Sekundär-strömungsfeld (Abb. 30) ist möglich:

- niedrigster Turbulenzgrad im Bereich des stabileren Außenwirbels (bei t = 50 mm) - hoher Turbulenzgrad im Wirbelzwischengebiet (bei t = 100 mm)

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass durch die Messungen die Auslegung des Apparates seine Bestätigung fand. Für den Betrieb und die Einbindung des Apparates bzw. die Zuordnung der Düsenstellung zum Messregime dürften ausreichend Unterlagen gegeben sein.

0 5 10 15-5-10-15

Breite [mm]

0

1

2

3

4

5

6

7Turbulenzgrad [%]


Abb. 31: Experimentell ermittelter Turbulenzgrad am Meßort 2 über die Breite für unterschiedliche Tiefen ( V& = 97.2 m3/h, s = 20.0 mm, Aw = 3.0 m/s)

33

0 5 10 15 20 25-5-10-15-20-25

Breite [mm]

0

2

4

6

8

10

12

14Turbulenzgrad [%]



0 5 10 15 20 25 30 35-5-10-15-20-25-30-35

Breite [mm]

0

3

6

9

12

15

18Turbulenzgrad [%]



34

Teilberichte zur Apparateauslegung [1] Untersuchung des Strömungsfeldes in der Ausströmdüse des hydrodynamischen

Prüffeldes, Magdeburg, November 1996

[2] Ergänzender Bericht zu [1], Magdeburg, Januar 1997 [3] Experimentelle Untersuchung des Strömungsfeldes in der Ausströmdüse des

hydrodynamischen Prüffeldes, Magdeburg, März 1997 [4] Hydrodynamisches Prüffeld, Gestaltung und Funktion der Umschaltapparatur, Magdeburg, März 1998 [5] Gestaltung, Bemessung der Umschaltapparatur für die Mess-Strecke DN 150 Magdeburg, August 1998

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Bericht Uni MD Gestaltung Bemessung Bestueckung … · stabil abläuft, ohne dass der Strahl zerfällt oder spritzt. 6. Die Konturen der Klappe samt Einbauten sind derart auszubilden,