Kameier 2012 Volumenstrommessverfahren 2. Vorlesung Strömungstechnik II PEU Strömungsgeschwindigkeitsmessung - Prandtlsches

Kameier 2012 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de

Volumenstrommessverfahren

2. Vorlesung Strömungstechnik II PEU

• Strömungsgeschwindigkeitsmessung - Prandtlsches Staurohr

- Anemometer (Halbschalen / Ultraschall) • Integrale Messverfahren zur Volumenstrombestimmung:

- Ultraschallverfahren - Einlaufdüse (Wirbelfadendüse)- Blende- Venturidüse- Wirbelfrequenzzähler


Beispiel: Prandtlsches Staurohr

2cp

2cp 2

22211

0

31 ppp

121

pp2c

2 =Staupunkt (c=0)

2


Druckverlauf entlang des Prandtlschen Staurohrs

aus: Schade/Kunz/Kameier/Paschereit, 2007

3


Prandtlsches Staurohr in kompressibler Strömung

aus: Schade/Kunz, 2007.

4


AdcV

2

0

R

0

ddrrdA

R

0

drr)r(c2V

[m] [m/s]Radius c(r)

1 0.00000 19.58 0.000901172 0.00383 19.53 0.002684843 0.00766 19.31 0.004445934 0.01149 19.28 0.005777515 0.01532 16.54 0.003635316 0.01915 0.99 0.000250937 0.02298 0 08 0.017696 q_v [m^3/s]

10.67 c[m/s]

32681.8 Reynolds-Zahl"=turbulente Strömung da >3000"

0

5

10

15

20

25

0.00000 0.00500 0.01000 0.01500 0.02000 0.02500

Radius [m]

Strö

mun

gsge

schw

indi

gkei

t [m

/s]

Reihe1

geschwindigkeitsprofil181002.xls

Volumenstromberechnung aus einem Geschwindigkeitsprofil (kreisrundes Rohr)

5


0

1

2

3

4

5

6

7

8

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045

Radius [m]

Strö

mun

gsge

schw

. [m

/s]

GS falsch links

GS_falsch_rechts

GS-Dicke sinvoll links

GS-Dicke sinnvoll rechts

Volumenstromberechnung und Grenzschichteinfluss

siehe: rohrprofil_grenzschichteinfluss050108.xls

6


Volumenstromberechnung und Grenzschichteinfluss

siehe: rohrprofil_grenzschichteinfluss050108.xls

links [m] [m/s] [m^3/s] [m] [m/s] [m^3/s]Radius c(r) q_v Radius c(r) q_v

1 0,000 6,5 0,00052 1 0,0000 6,5 0,000522 0,005 6,8 0,00159 2 0,0050 6,8 0,001593 0,010 6,7 0,00239 3 0,0100 6,7 0,002394 0,015 5,4 0,00297 4 0,0150 5,4 0,002975 0,020 5,4 0,00371 5 0,0200 5,4 0,003716 0,025 5,1 0,00438 6 0,0250 5,1 0,004387 0,030 5,0 0,00448 7 0,0300 5,0 0,004008 0,035 3,8 0,00222 8 0,0345 3,8 0,00021 Grenzschichtdicke 1 mm9 0,040 0 0 9 0,0350 0 0

Volumenstrom: 0,022265 q_v [m^3/s] Volumenstrom: 0,019768 q_v [m^3/s]mittlere Geschw.: 4,43 c[m/s] FALSCH mittlere Geschw.: 5,14 c[m/s]

rechts [m] [m/s] [m^3/s] rechts [m] [m/s] [m^3/s]Radius c(r) q_v Radius c(r) q_v

1 0,000 6,5 0,00049 1 0,0000 6,5 0,000492 0,005 6,0 0,00136 2 0,0050 6,0 0,001363 0,010 5,5 0,00217 3 0,0100 5,5 0,002174 0,015 5,6 0,00304 4 0,0150 5,6 0,003045 0,020 5,5 0,00380 5 0,0200 5,5 0,003806 0,025 5,2 0,00439 6 0,0250 5,2 0,004397 0,030 4,9 0,00285 7 0,0300 4,9 0,002548 0,035 0,6 0,00037 8 0,0345 0,6 0,000039 0,040 0 0 9 0,0350 0 0

Volumenstrom: 0,018472 q_v [m^3/s] Volumenstrom: 0,017829 q_v [m^3/s]mittlere Geschw.: 3,67 c[m/s] 4,05 m/s mittlere Geschw.: 4,63 c[m/s] 4,9 m/s

7


„Deutsche“ Bauart: Grundform Halbkugel

Hersteller: Thies Clima

„Dänische“ Bauart: Grundform Kegel

Hersteller: Vektor

Halbschalen- und Ultraschallanemometer z.B. für den Einsatz an Windkraftanlagen.

8


Berechnung des Turbulenzgrades aus der Standardabweichung der Messwerte:

n

1i

2i cc

1n1

cTu

Akustische Strömungsmessung: Ultraschallanemometer

Laufzeitanalyse

c

cll

l

a

Empfänger

Sender

c

Anwendung: Turbulenzmessung, Meteorologie, Windenergienutzung

9


Einwirkung einer turbulenten Anströmung(Turbulenzgrad ca.: 6 %)

-10

-5

0

5

10

15

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

c in m/s

Abw

eich

ung

in %

Friedrichs WTGMT 156

Thies WTGMT 280

Thies FH D

Ultraschall METEK

Thies WTGMT282

Friedrichs WTGMT 080_6

Vector WTGMT 501

Young Model 12102

Met One

http://ifs.muv.fh-duesseldorf.de/Veroeffentlichungen/veroeffentlichung_lackmann_deiss.pdf

10

Vector

Met One

ZuPrandtlschemStaurohr


Ablösung an einer umströmten Kugel:laminare Grenzschicht turbulente Grenzschicht

Totwasser Totwasser

U

U

A

A

A

A

SS

120°80°U Uoo oo

Bild 5 : Kugelströmung bei laminarer und bei turbulenter Grenzschicht.

Laminare Grenzschicht von S bis A Laminare Grenzschicht von S bis U Turbulente Grenzschicht von U bis A

S Staupunkt A Ablösung

U Umschlag von laminarer in turbulente Grenzschicht

Re < Re Re > Re Kugel kritisch Kugel kritisch

11


Vergleich Halbkugel Kegelstumpf

{Ablösebereich 10° fester Ablösepunkt

12


Akustische Strömungsmessung: SODAR

Anwendung: Geschwindigkeits- und Turbulenzprofile, Meteorologie, Windenergienutzung

Analyse der Dopplerfrequenz

a

c1ff 01

13


Akustische Strömungsmessung: SODAR

Geschwindigkeitsprofil

Offshore Messungen (Nov. 2001)(Frequenzen zwischen 1500 und 3000 Hz)

14


Volumenstrombestimmung mittels Ultraschall bei stark gestörten Strömungsprofilen

UltraschallDurchflussmessung von Fluiden mit DrosselgerätenDIN EN ISO 5167 Teil 3 (1998)

15


Volumenstrombestimmung mittels Ultraschall:Geschwindigkeitsprofil stromab eines Saugkastens

-200 -100 0 100 200

0

5

10

15

20

25

Geschwindigkeitsprofil 0° mit Saugkasten, =0,087, =1,09, n=1600 U/min

Ultraschall Hitzdraht Blende

c[m

/s]

r[mm]

-150

-100

-50

0

50

100

150

-150-100-50050100150

05

10

15

20

25

c [m/s]

Y [mm]

X [m

m]

16


l

a

Empfänger

Sender

c

c

cll

Volumenstrombestimmung mittels Ultraschall –Laufzeitdifferenzverfahren

17


Volumenstrombestimmung mittels Ultraschall bei stark gestörten Strömungsprofilen

Aufbau 1 Aufbau 2

18


Volumenstrombestimmung mittels Ultraschall – Laufzeitdifferenzverfahren

al2

c²aal2ttt 2II

II2II

II c²al2

c²acl2ttt

a

cII

19


Saugkasten – 200mm langes Rohr - Ultraschallaufnehmer (Aufbau II) qv=2,8m³/s

0 90 180 270 36016

18

20

22

24

26

28

30

32

Mittelwerte

c_Bl.c_Ultra.

c [m

/s]

Saugkastenposition [°]

0 90 180 270 3600

10

20

30

40

MittelwertFe

hler

[%]

Saugkastenposition [°]

Volumenstrombestimmung mittels Ultraschall – Messgenauigkeit

20


Unter welchen Rahmenbedingungen funktioniert das Ultraschallmessverfahren mit hoher Genauigkeit:

- einzelne Messpfade dürfen keine exponierten Werte ermitteln,- Anzahl der Messpfade muss in Relation zur Störung genügend groß sein,- Messung besser unmittelbar stromauf von Einbauten.

21


-0.25 -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.250

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

y[m]

u[m

/s]

Geschwindigkeitsprofil einer Wirbelfadendüse

!Wirbelfadenduesegamma=1L=1y=linspace(-0.25,0.25)u=gamma.*L./(pi*(L^2-y.^2))plot(y,u)axis([-0.3,0.3,0,0.4])xlabel('y[m]');ylabel('u[m/s]')

22 yLLu

Welche Einheit hat die Wirbelstärke ?

22


Druckentnahme

Einlaufdüse (Wirbelfadendüse) (DIN EN ISO 5167)

1

1

21

2 p2cp

2c

mit 0c

p2AcAV Rohr1Rohr

97,0hier

23


Einlaufdüse (Wirbelfadendüse) (DIN EN ISO 5167)

24


Einlaufdüse (FLT-Düse) (DIN EN ISO 5167)

25


Einlaufdüse – Airmeter für Flugzeugtriebwerke

Airmeter – Einlaufdüse zur Massenstrombestimmung eines Flugtriebwerks, Quelle: Mitarbeiterzeitung BMW Rolls-Royce, Dahlewitz, 1997.

26


Messblende – DIN EN ISO 5167 Durchflussmessung von Fluiden mit Drosselgeräten in voll durchströmten Leitungen mit Kreisquerschnitt - Teil 2: Blenden, Ausgabe 01-2004

27


Messblende – DIN EN ISO 5167 - inkompressibel

p2d4ß1

CV1

2

4

ADd

3,0

D

65,3

8,0

D

7,0

D

682

AA

A

Re10

Re190000063,00188,0

Re10000521,0216,00261,05961,0C

eine Messgröße - (Differenzdruck)

[ m3/s ]

28


Messblende – DIN EN ISO 5167 - kompressibel

[ m3/s ]

[ kg/s ] p2d41

Cq 12

14m

qC

d pv

1 4

24 1

2

1

1

1

284

pp193,0256,0351,01

1Blendedervor1 ppp Isentropenexponent für Luft 14,

zwei Messgrößen

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blende_din_en_iso5167_030604.xls

Erforderlich ist ein turbulentes Rohrströmungsprofil mit Re16000 2

(hier: =0.8 Re>10205)

Messblende – DIN EN ISO 5167 - kompressibel

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Venturirohr

Ansicht von hinten (Blick stromauf)

statische Druckmessung an 4 Umfangspositionen (pVenturi)

31


Venturirohr

.Vent2

4V p2d41

CqV

C = 0,9858 – 0,196 ß4,5

Ansicht von hinten (Blick stromauf)

32


Wirbelfrequenzzähler

Wirbel-Zähler VORTY - Wirbelablösung an einem trapezförmigen Prallkörper

c

h/m4300ˆHz5,347:hier 3

Karmansche Wirbelstraße hinter einemumströmten Zylinder, vgl. Feynman (1974).

Kleine Durchsätze können nicht gemessen werden:

Remin 140000 (Herstellerangabe 20000) cmin 13 m/s (Herstellerangabe 1,9 m/s)

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Wirbelfrequenzzähler – Anwendung Brennwertheizgerät

aus: HLH 2/2008

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