Kurzeinführung

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Kurzeinführung

Inhalt

Programmsystem FlowmasterHintergrund und Arbeitsweise, Programmstruktur

Beispiel1 – RohrsystemProgrammhandling, Ergebnisbetrachtung

Beispiel2 – DurchflussbestimmungNachrechnen der Musterlösung zu Beispiel 8.2b, S.193 des Buches

Beispiel3 – DruckstoßbetrachtungDurchführung einer einfachen transienten Analyse

Hintergrund und Arbeitsweise

Das Programmsystem Flowmaster ist ein einphasiges 1-D Strömungssimulationssystem auf Grundlage der Stromfadentheorie.

Flowmaster ist modular aufgebaut. Dadurch wird es ermöglicht, die Module auszuwählen, welche für die anwendungsspezifischen Aufgabenstellungen relevant sind.

Der modulare Aufbau unterscheidet zwischen stationären und transienten (zeitabhängigen) Analysen für inkompressible Medien (Flüssigkeiten) mit und ohne Wärmeübertragung und für kompressible Medien (Gase).

Ein Flowmaster-Berechnungsmodell gliedert sich grundsätzlich in so genannte Komponenten und Knoten.

Im Bereich der Rohrleitungen wird zur Lösung der beschreibenden, eindimensionalen Differentialgleichungen für instationäre Aufgaben-stellungen das Charakteristikenverfahren angewendet.


In den Komponenten wird das fluid- und thermodynamische Verhalten realer Bauteile mit Hilfe von mathematischen Modellen und/oder empirischen Daten in Form von Kennlinien und/oder Kennfeldern simuliert oder Rand- bzw. Anfangsbedingungen gesetzt. Die in einer Datenbank hinterlegten Messdaten, z.B. für die Druckverlustkoeffizienten, beruhen auf Messungen von D.S. Miller (Internal Flow Systems). Die Datenbank kann vom Anwender mit Daten aus anderen Quellen bzw. eigenen Messungen ergänzt werden.

Bei der Verwendung dieser Druckverlustkoeffizienten werden entweder automatisch Korrekturen entsprechend des jeweiligen Reynoldszahlbereiches vorgenommen oder, wie im Fall des Rohres, adäquate Gleichungen verwendet.

Die Verbindung zwischen den Komponenten wird über Knoten hergestellt. Diese haben keine geometrische Ausdehnung, sind masselos und rufen bei ihrer Durchströmung keinen Druckverlust hervor. Die Summe aller zu- und abströmenden Fluidmassenströme ist gleich Null.


Flowmaster2 gliedert sich in zwei grundsätzliche Hauptmodule:

- Single Phase Incompressible/CompressibleModule zur Berechnung von Strömungen mit 1-phasigen, inkompressiblen Medien (i. d. R. Flüssigkeiten),z.B. für Wasserversorgungssysteme, Kühlsysteme und Druckstoßberechnungen.

Module zur Berechnung von Strömungen mit 1-phasigen, kompressiblen Medien (Gase),z.B. für Gasversorgungssysteme, Darstellung von Befüllungsvorgängen oder Rohrleitungsbrüche.

- Fluid PowerModule für die Berechnung von z.B. Hydrauliksystemen, Kraftstoffeinspritzungen, Schmiersystemevon Kraftfahrzeugmotoren u. a. m.

Die beiden Hauptmodule unterscheiden sich durch zum Teil unterschiedliche Komponenten und durch die Verwendung unterschiedlicher Datenbanken.


Dieser Aufbau spiegelt sich auch in der Art der Datenverwaltung wieder.

Flowmaster2 verwendet für das Speichern von Kennlinien, Kennfeldern, Einheitensätzen oder Fluiddaten ein Datenbank-Verzeichnis (flows_db bzw. power_db) und für die Informationen wie das Netzwerk aufgebaut ist ein Benutzer-Verzeichnis (flows_ud bzw. power_ud).

Bei der Berechnung greifen die Komponenten z. T. auf die in der Datenbank hinterlegten Informationen zurück.


Beide Hauptmodule stellen verschiedene Untermodule (insgesamt 19) für unterschiedliche Anwendungen zur Verfügung. Die wichtigsten davon sind:

Single Phase: Inkompressibel, stationär (SS)

Inkompressibel, transient (ST)

Inkompressibel, stationär mit Wärmebetrachtung (SSH)

Inkompressibel, transient mit Wärmebetrachtung (STH)

Kompressibel, stationär (CS)

Kompressibel, transient (CT)

Fluid Power: Inkompressibel, stationär (FS)

Inkompressibel, transient (FT)

Inkompressibel, stationär mit Wärmebetrachtung (FSH)

Inkompressibel, transient mit Wärmebetrachtung (FTH)

Beispiel 1

Beispiel1 – Berechnungen an einem verzweigten Rohrnetz

Anhand eines einfachen, verzweigten Rohrnetzes sollen nun zunächst die Grundfunktionen von Flowmaster dargestellt werden. Das Netz ist in seiner Struktur der Bild 8-23 auf Seite 189 des Buches nachempfunden.

Im Beispiel wird in mehreren Schritten gezeigt,

wie ein Projekt eröffnet wird, wie ein Netzwerk in Flowmaster aufgebaut wird, wie Parameter für einzelne Komponenten gesetzt werden und wie eine stationäre Berechnung gestartet wird.

Danach wird anhand des erzeugten Ergebnisses gezeigt, wie berechnete Werte dargestellt werden können.

Beschreibung des analysierten Systems:

Das auf der nachfolgenden Folie gezeigte Netz soll aus zwei Hauptbehältern bestehen, aus denen mit Hilfe zweier Pumpen Wasser in ein höher gelegenes System gepumpt wird.

Es soll untersucht werden, ob in dem System an mehreren Stellen die Entnahme eines Volumenstroms von 0.01 m³/s möglich ist, ohne im Netzwerk den Umgebungsdruck zu unterschreiten. Als Zwischenspeicher stehen ein Hochbehälter und ein Druckbehälter auf verschiedenen Ebenen.

Zur Druckerhöhung sind zwei weitere Pumpen im System platziert.

Beispiel 1

Beispiel 1

Beispiel 1

Schritt 1: Erzeugung eines neuen Projektes

Vor dem Erzeugen des neuen Projektes müssen in Flowmaster zunächst die Datenbank (in diesem Fall flows_db) und das Benutzer-Verzeichnis (flows_ud) registriert werden. Diese liegen standardmäßig unter:

C:\Dokumente und Einstellungen\All Users \Anwendungsdaten\Flowmaster\Flowmaster2

Die Dateien können je nach Systemeinstellung versteckt sein. Wie die entsprechenden Dateien registriert werden, sehen Sie hier:

Beispiel 1

Nun müssen Sie als nächstes ein neues Projekt erzeugen.

Klicken Sie hierzu im Hauptmenü unter „File“ auf „New Project“. Geben Sie in dem sich öffnenden Fenster einen Namen für das Projekt ein und bestätigen Sie, indem Sie auf „OK“ klicken. Danach wird sich das hier gezeigte Fenster öffnen.

Erzeugen Sie innerhalb des neuen Projekts ein neues Netzwerk indem Sie im unteren Teil auf „New“ klicken.


Beispiel 1

Nachdem das neue Netzwerk erzeugt wurde, öffnet sich die hier gezeigte Ansicht.

Das dabei geöffnete Fenster dient zur Eingabe von Daten der einzelnen Komponenten, zum Konfigurieren der Analysedaten und anderen Funktionen die das Netzwerk betreffen.

Öffnen Sie nun das Fenster in dem das Netzwerk erzeugt wird, indem Sie auf die Schaltfläche „View Network“ klicken.


Beispiel 1

Schritt 2: Aufbau des NetzwerkesNun könne Sie über die Funktion „Window / Tile“ die Fenster automatisch zu-einander ausrichten.

Falls das Raster noch nicht aktiv ist, können Sie es über „Display / Grid“ aktivieren.

Die verschiedenen Funktionsleisten können über „View / Toolbars“ zugeschaltet werden. In der gezeigten Ansicht sind die folgenden aktiv:

Standard Family Commands Text Zoom

Beispiel 1

Schritt 2: Aufbau des Netzwerkes

Prinzipiell sind bei Flowmaster alle Komponenten in Gruppen (Families) gegliedert. So stehen z. B. in der Gruppe „Junctions“ verschiedene Verzweigungen wie T-Stücke mit verschiedenen Anschlusswinkeln oder Y-Stücke zur Verfügung.

Beispiel 1


Um eine bestimmte Komponente in das Netzwerk einzufügen, klicken Sie in der Funktionsleiste auf die entsprechende Gruppe und in dem sich öffnenden Fenster auf die entsprechende Komponente. Klicken Sie dann im Fenster für das Netzwerkschema an die Stelle an der Sie die Komponente ablegen wollen.

Rohrleitungen werden in Flowmaster als eigene Komponenten behandelt, d. h. andere Komponenten können direkt miteinander verbunden werden, wenn z. B. das dazwischen liegende Stück Rohr vernachlässigt werden soll. Um eine Rohrleitung einzufügen, klicken Sie zunächst in der Gruppe „Pipes“ auf den entsprechenden Rohrtyp. Klicken Sie dann in Ihrem Netzwerk auf den Startpunkt der Leitung, halten Sie den Mausknopf gedrückt und ziehen Sie die Leitung zu Ihrem Endpunkt. Die graphische Darstellung im Netzwerk ist unabhängig von der in der Rechnung verwendete Länge. Diese wird im Dateneingabefenster gesetzt.

Beispiele wie Komponenten ins Netzwerk eingefügt werden,

sehen Sie hier:

Beispiel 1


Wie Sie gesehen haben verändert Flowmaster beim Einfügen von Komponenten den Mauszeiger. Solange diese Änderung aktiv ist, wird bei jedem Klicken eine neue Komponente eingefügt. Um Komponenten zu verschieben, müssen Sie wieder in einen neutralen Modus wechseln. Dieser wird in Flowmaster als „Idle Mode“ bezeichnet und Sie erreichen Ihn, indem Sie entweder mit der rechten Maustaste klicken und „Idle Mode“ anwählen oder indem Sie die Taste für das Leerzeichen drücken.

Zum Bearbeiten (z.B. löschen, verbinden oder drehen) von Komponenten stehen in der „Command“ Funktionsleiste weitere Schaltflächen zur Verfügung:

Beim Verbinden zweier Komponenten erzeugt Flowmaster automatisch dazwischen einen so genannten Knoten. Dieser dient als Bilanzstelle zwischen den Komponenten. Er besitzt kein Volumen und stellt keinen Widerstand dar. Jeder Arm (Anschluss, „Branch“) einer Komponente kann maximal mit einem Knoten verbunden werden und im Gegenzug z. Z. maximal 10 Komponenten mit einem Knoten.

Wie Sie im rechten Bild sehen, gibt es für jede Komponente eine Definitionsrichtung für die Durchströmung, welche meist mit einem Pfeil ausgewiesen ist, der von Arm 1 zum Arm 2 weist. Diese Definitionsrichtung muss nicht mit der später berechneten Richtung übereinstimmen.

Bei Durchströmung in Definitionsrichtung sind Ströme an Arm1 negativ (vom Knoten in die Komponente) und an Arm 2 positiv (von der Komponente zum Knoten).

Beispiel 1


Beispiel 1


Beginnen Sie nun das dargestellte Netzwerk aufzubauen. Die benötigten Komponenten finden Sie in den folgenden Gruppen:

„Pipes“ (Rohre) „Valves“ (Ventile) „Pumps“ (Pumpen) „Reservoirs“ (Behälter) „Sources“ (Quellen)

Beispiel 1

Schritt 3: Vorgabe der Daten

Nachdem Sie nun das Netzwerk aufgebaut haben, beginnen Sie damit den Komponenten und Knoten Daten zuzuweisen.

Dies geschieht im Dateneingabefenster.

Setzen Sie zunächst im Datenblatt „Setup“ (Grundeinstellungen) den „Analysis Type Data Filter“ auf „Steady State (SS)“. Damit werden Dateneingabefelder ausgeblendet, die für eine stationäre, inkompressible Berechnung nicht benötigt werden.

Aufgrund der Komplexität der verschiedenen Komponenten wird im Beispiel auf nicht unbedingt benötigte Daten nicht eingegangen. Information hierzu entnehmen Sie bitte der „Reference Help“.

Beispiel 1

Schritt 3: Vorgabe der Daten - Rohrleitungen

Wechseln Sie als nächstes auf das Datenblatt „Component Data“. Wählen Sie dort unter den in der so genannten „Collection“ (Auswahlliste) angezeigten Komponenten eine beliebige Rohrleitung aus und klicken Sie darauf.

Im unteren Teil des Fensters finden Sie nun verschiedene Parameter aufgelistet. Bei einer stationären, inkompressiblen Berechnung ohne Wärmeübertragung müssen Sie zur Berechnung der Reibung im Rohr nach Colebrook-White die folgenden Daten angeben:

Länge der Rohrleitung Rauheit der Rohrwand Innendurchmesser der Rohrleitung

Beispiel 1


Um die Vorgabe der Daten in diesem Beispiel möglichst einfach zu halten, soll davon ausgegangen werden, dass allen Komponenten gleichen Typs auch gleiche Parameter zu Grunde liegen. Die Daten müssen also jeweils bei einer Komponente eingegeben werden und können dann auf die anderen Komponenten gleichen Typs übertragen werden.

Geben Sie für die Rohrleitungen die folgenden Werte ein:

Length (Länge): 5 <m> Absolute Roughness (Rauheit): 0.02 <mm> Diameter (Durchmesser): 0.1 <m>

Beispiel 1


Zum Kopieren der gerade vorgegebenen Daten auf die anderen Rohrleitungen folgen Sie der Anleitung in Video 3.

Wählen Sie beim Kopiervorgang die Option: „To components of the current family in the collection“. Das bedeutet, dass die markierten Daten zu allen Elementen des gleichen Typs kopiert werden, die auch in der im Dateneingabefenster gezeigten Liste enthalten sind.

Beispiel 1

Schritt 3: Vorgabe der Daten - Kugelhähne

Klicken Sie nun in der Liste auf einen Kugelhahn (Ball Valve). Geben Sie die folgenden Daten ein und kopieren Sie diese wie bei den Rohrleitungen auf die anderen Komponenten.

Diameter (Durchmesser): 0.1 <m>

Valve Opening (Ventilstellung): 0.7 <ratio>

Der Wert „Valve Opening“ beschreibt die Öffnungsposition des Ventils, wobei ein Wert von 0 gleichbedeutend mit vollständiger Schließung und ein Wert von 1 mit vollständiger Öffnung ist. Die Kugelhähne sind also zu 70% geöffnet.

Grundsätzlich ist es möglich und sinnvoll, in Flowmaster eigene Ventilkennlinien für das Widerstandsverhalten über dem Öffnungsgrad zu definieren. Hierauf wurde aufgrund des Umfangs des Beispiels verzichtet.

Beispiel 1

Schritt 3: Vorgabe der Daten - Kegelsitzventile

Geben Sie für ein Ventil der Gruppe „Globe Valves“ nun die benötigten Daten ein und kopieren Sie diese dann wie zuvor auf die anderen Kegelsitzventile. Der Wert „Position“ entspricht bei diesem Ventil dem des Wertes „Valve Opening“ bei den Kugelhähnen.

Diameter (Durchmesser): 0.1 <m>

Position (Ventilstellung): 1 <ratio>

Beispiel 1

Schritt 3: Vorgabe der Daten - Senken

Definieren Sie nun an einer der „Flow Sources“ (Quelle oder Senke, je nach Vorzeichen!) einen negativen Volumenstrom von 0.01 m³/s und kopieren Sie diesen dann auf die anderen Senken. Alle anderen Werte wie z. B. „Fluid Type“ (verwendetes Medium) und „Constant Temperature“ (Temperatur des Mediums) werden, wenn Sie in den Komponentendatenblättern nicht gesetzt sind, aus dem Datenblatt „Analyse“ entnommen.

Beispiel 1

Schritt 3: Vorgabe der Daten - Radialpumpen

Wie bei den Ventilen ist es auch bei den Pumpen möglich und im Allgemeinen notwendig, eigene Kennlinien zu hinterlegen. Wir verwenden in diesem Fall die Beispielkennlinien für eine Radialpumpe aus der Flowmaster Datenbank.

Flowmaster benötigt, um eine Skalierung dieser normiert abgelegten Kennlinien vornehmen zu können, einen so genannten Referenzpunkt (Nennbetriebspunkt, Punkt des besten Wirkungsgrades).

Die Angaben hierzu bestehen aus einem Volumenstrom, einer Förderhöhe, einer Drehzahl bei der die Pumpenkennlinien aufgenommen wurden, der Betriebsdrehzahl (bzw. Startdrehzahl „Initial Speed“) und einer Leistung bzw. einem Wirkungsgrad.

Aus diesen Daten werden dann mit Hilfe der Pumpenkennlinien (Förderhöhe und aufgenommene Leistung als Funktion des Volumenstroms bei „Rated Speed“ (Referenz Drehzahl) die Daten der Pumpe bei der tatsächlichen Drehzahl („Initial Speed“) ermittelt (Affinitätsgesetz).

Beispiel 1

Schritt 3: Vorgabe der Daten - Radialpumpen

Geben Sie die folgenden Werte vor:

Rated Flow (Referenz Volumenstrom): 0.4 <m³/s> Rated Head (Referenz Förderhöhe): 40 <m> Rated Speed (Referenz Drehzahl): 1000 <r.p.m.> Rated Efficiency (Referenz Wirkungsgrad): 0.6 <> Initial Speed (tatsächliche Drehzahl): 1000 <r.p.m.>

Kopieren Sie diese Werte dann auf die anderen Pumpen.

Zusätzliche Informationen zum Flowmaster Pumpenmodell sowie zu allen anderen Komponenten finden Sie in der Flowmaster Reference Help.

Beispiel 1

Schritt 3: Vorgabe der Daten - Versorgungsbehälter

Nun sollen die Daten für die beiden untersten Behälter vorgegeben werden. Es handelt sich dabei um Behälter mit konstantem Füllspiegel (Reservoir: Const-Head). Dies wäre z. B. dann der Fall, wenn aus einem sehr großen Becken nur verhältnismäßig kleine Mengen entnommen werden. Für diesen Typ Behälter muss die Höhe definiert werden auf dem der Behälter steht, der Füllstand des Beckens über dem Auslass sowie der Durchmesser des Anschlussrohres. Ein- und Austrittsverluste werden bei diesem Behältertyp vernachlässigt, könnten aber über weitere Komponenten berücksichtigt werden.

Pipe Diameter (Anschlussdurchmesser): 0.1 <m>

Liquid Level above Base (Füllhöhe): 3 <m>

Base Level above Reference (Anschlussniveau): 0 <m>

Kopieren Sie diese Werte anschließend auf den zweiten Behälter.

Beispiel 1

Schritt 3: Vorgabe der Daten - Hochspeicher

Bei der Komponente die für den Hochspeicher verwendet wird, handelt es sich um einen 2-armigen Behälter (Reservoir: 2 Arm). Ein- und Austrittsverluste werden bereits in der Komponente erfasst. In den dafür vorgesehenen Widerstandskoeffizienten können vereinfacht auch Einbauten wie Siebe oder Rückflussverhinderer aufgenommen werden. Für jeden Anschluss müssen also die Werte für die Widerstandskoeffizienten in beiden Fließrichtungen, der Durchmesser, sowie die Höhe des Anschlusses über dem Behälterboden definiert werden.

Zusätzlich muss die Gesamthöhe des Behälters und die Querschnittfläche bestimmt werden, um das Volumen des Behälters fest zu legen. Ähnlich wie beim Behälter mit konstanter Füllhöhe muss auch für diesen Behälter angegeben werden, auf welcher Höhe er steht und wie sein (Anfangs-) Füllstand ist. Für eine stationäre Berechnung wird dieser Füllstand als konstant vorausgesetzt. Erst in einer instationären Berechnung würde die Variabilität des Füllstandes berücksichtigt.

Beispiel 1

Schritt 3: Vorgabe der Daten - Hochspeicher

Beispiel 1

Schritt 3: Vorgabe der Daten - Druckbehälter

Der Druckbehälter (Reservoir: Expan) arbeitet ähnlich wie der für den Hochspeicher verwendete Behälter. Im Gegensatz zu diesem handelt es sich jedoch nicht um einen offenen Behälter, sondern um einen geschlossenen, dessen Innendruck von der Änderung der Füllhöhe bzw. der Temperatur abhängig ist.

Ähnlich wie bei realen Druckbehältern gibt es die Möglichkeit bestimmte Grenzdrücke zu setzen bei denen der Behälter entweder be- oder entlüftet wird.

Die Daten für die Komponente können der folgenden Folie entnommen werden.

Beispiel 1

Schritt 3: Vorgabe der Daten - Druckbehälter

Beispiel 1

Schritt 4: Vorgabe der Daten - Knoten

Um bei der Berechnung Höhenunterschiede im Netzwerk zu berücksichtigen, müssen nach der Eingabe der Daten der Komponenten auch den Knoten Werte zugewiesen werden.

Wechseln Sie hierzu auf das Datenblatt „Node Data“. Tragen Sie dann für die verschiedene Knoten die auf der nächsten Folie gezeigten Werte in der Spalte „Level“ (Niveau) ein.

Beispiel 1

Schritt 4: Vorgabe der Daten - Knoten

Beispiel 1

Schritt 5: Starten der Analyse

Um die Analyse zu starten wechseln Sie auf das Datenblatt „Analyse“. Schalten Sie dort im Feld „Analysis Type“ (Analyseart) um auf „Steady State (SS)“.

Im unteren Teil des Datenblattes im Fenster „General Analysis Data“ sind bereits Standardwerte für „Liquid Type“ (Medium), „Ambient Temperature“ (Umgebungstemperatur) und „Atmospheric Pressure“ (Umgebungsdruck) gesetzt. Der eingestellte Liquid Type (1) entspricht dem Medium Wasser (einzustellen über die Schaltfläche „Options“).

Führen Sie nun eine Analyse durch, indem Sie auf „Start“ klicken. Weitere Beschreibungen finden Sie auf der nächsten Folie.

Beispiel 1

Schritt 5: Starten der AnalyseNachdem Sie im Datenblatt „Analyse“ auf „Start“ geklickt haben, werden Sie, falls Sie dies nicht vorher bereits getan haben, zunächst gefragt, ob Sie die Änderungen am Netzwerk speichern wollen. Bitte bestätigen Sie dies. Anschließend kann die Analyse gestartet werden.

In dem sich nun öffnenden Fenster wird Ihnen anhand eines blauen Balkens der Fortschritt der Analyse angezeigt. Da es sich hier um ein vergleichsweise einfaches Netzwerk handelt, wird dieser Balken maximal ganz kurz zu sehen sein.

Bei korrekter Vorgabe aller Daten sollte sich abschließend ein Fenster öffnen, bei dem als Statusmeldung unter „Success ?“ eine Bestätigung erscheint. Ist dies der Fall, öffnen Sie mit einem Klicken auf „Results“ das Ergebnisfenster. Starten Sie nun bitte die Animation.

Beispiel 1

Schritt 6: Auswerten der Analyse

Zur Auswertung des Ergebnisses schalten Sie zunächst im Ergebnisfenster auf das Datenblatt „Component Results“. Lassen Sie sich dort über die Funktion „Collect“ / „All“ dann alle Komponenten auflisten. Sie haben dann die Möglichkeit einzelne Ergebnisse der Komponenten zu betrachten, indem Sie sie in der Liste anwählen.

Beispiel 1


Eine weitere Möglichkeit Ergebnisse darzustellen, besteht darin sich bestimmte Werte wie z.B. Volumenstrom oder Strömungsgeschwindigkeiten im Netzwerk anzeigen zu lassen.

Aktivieren Sie diese Funktion in dem Sie im Datenblatt „Component Results“ den entsprechenden Wert im Fenster „Attribute“ auswählen und dann über die Schaltfläche „Draw“ ausführen.

Für den Volumenstrom in m³/s ergibt sich die auf der folgenden Folie dargestellte Verteilung.

Beispiel 1


Es zeigt sich, dass der Druckbehälter stärker befüllt wird, als ihm Volumen entnommen wird. Hier ist also zunächst mit einem Ansteigen des Druckes zu rechnen.

Der Hochspeicher wird bei den aktuellen Ventileinstellungen an beiden Anschlüssen befüllt. Der Flüssigkeitsspiegel würde also steigen.

Dies könnte im Weiteren mit einer instationären Analyse untersucht werden.

Beispiel 1


Um die Druckverteilung im Netzwerk zu begutachten und damit die Frage ob Kavitation bei den geforderten Volumenströmen an den Austritten auftritt, wechseln Sie auf das Datenblatt „Node Results“ des Ergebnisfensters.

Fügen Sie auch hier zunächst über die Funktion „Collect“ - „All“ alle Knoten zur Liste hinzu.

Wie bei den Komponenten können Sie sich über die Funktion „Draw“ Werte im Netzwerk darstellen lassen Totaldrücke (Pressure) sowie die Drücke auf die Knotenhöhe (Pressure at Node Level)

Beispiel 1


Bei der Betrachtung der Drücke bezogen auf die Höhenlage der Knoten fallen zwar einige Stellen mit niedrigem Druckniveau auf, dabei liegt jedoch der niedrigste Druck von 0.31 bar immer noch deutlich über dem Dampfdruck von Wasser bei 20°C (~0.023 bar).

Dennoch wird man diese Werte insbesondere im Saugbereich der Pumpe nicht zulassen wollen und nun mit Hilfe des Modells Parameteränderungen untersuchen, die geeignet sind, den Druck über Umgebungsdruck zu heben.

Beispiel 1

Zusammenfassung der durchgeführten Schritte

Anhand des berechneten Beispiels haben Sie nun einige Grundfunktionen sowie Teile der Benutzeroberfläche von Flowmaster kennen gelernt.

Grundsätzlich lässt sich die Vorgehensweise zum Modellieren eines Systems in die durchgeführten 6 Grundschritte aufteilen:

1) Erzeugen eines neuen Projektes

2) Abbilden des Systems als Netzwerk

3) Eingeben der Daten der Komponenten

4) Falls erforderlich Eingeben der Lage der Knoten

5) Durchführen der Analyse

6) Auswerten und Überprüfen der berechneten Ergebnisse.

Als 7. Schritt können dann Parametervariationen berechnet werden. Vertiefen Sie diese Vorgehensweise nun Anhand von Beispiel 2.

Beispiel 2

Beispiel2 – DurchflussbestimmungNachrechnen der Musterlösung zu Beispiel 8.2b, S.193

Anhand der auf Seite 193 dargestellten Aufgabe 8.2b soll demonstriert werden, wie mit Hilfe von Flowmaster strömungstechnische Probleme effizient gelöst werden können.

In diesem Fall handelt es sich um die Bestimmung eines Durchflusses, der sich aufgrund des Anlagenwiderstandes bei einem bestimmten Druckverhältnis einstellt. Diese Berechnung ist wie auch in der Musterlösung gezeigt nur iterativ zu lösen, da der Widerstand abhängig vom Durchfluss ist.

Aufbau eines Berechnungsmodells:

Um die im Buch beschriebene Aufgabe 8.2b zu lösen, wurde ein passendes Modell erstellt.

Dabei werden die Komponenten, deren Widerstandsverhalten durch einen Zeta-Wert bestimmt sind, zu einem „Discrete Loss“ (nicht näher bestimmter Widerstand) zusammengefasst.

Die für die Rohrleitungen angegebene äquivalente Rauheit von k=0.04mm kann direkt in Flowmaster verarbeitet werden.

Die Methode zur Darstellung eines über eine Gleichung definierten Druckverlustes wird nachfolgend demonstriert.

Beispiel 2

Darstellung des Kondensatorwiderstandes:

Die für das Widerstandsverhalten des Kondensators angegebene, spezielle Funktion:

wird durch die Einbindung eines Skriptes umgesetzt. Dieses wird mit einer Komponente aus der Gruppe der „Com-Controller“ (Steuerelemente) sowie einer Komponente der Gruppe „Miscellaneous“ (Verschiedene) verarbeitet.

78.1K m2.0p

Beispiel 2

Berechnungsmodell:

Das erzeugte Berechnungsmodell entspricht in seiner Form dem hier gezeigten Schema.

Beispiel 2

Komponenten des Berechnungsmodells:

Komp.1: Reservoir: Const-HeadPipe Diameter (Anschlussdurchmesser) 0.9 mLiquid Level Above Base (Füllhöhe) 1 mBase Level Above Reference (Niveau) 8 mSurface Pressure (Behälterluftdruck) 1 bar

Komp.2: Discrete LossArea (Querschnittsfläche) 0.636173 m2Forward Flow Loss Coeff. (Zeta in Hauptrichtung) 3.9Reverse Flow Loss Coeff. (Zeta in Gegenrichtung) 3.9Hydraulic Diameter (hydraulischer Durchmesser) 0.9 m

Beispiel 2

Komponenten des Berechnungsmodells:

Komp.3: Gauge: Template

Input Connection (Eingangstyp) 100Algorithm Type (interne Verarbeitungsmethode) 2

Script / Equation Identifier (Name des Skriptes) N:1Output Quantity (Einheit des Ausgangssignals) 39Output Initial Value (Ausgangsstartwert) 0.5 barOutput Clipping - min value (kleinster Ausgangswert) 0 barOutput Clipping - max value (grösster Ausgangswert) 10 bar

Das Script N:1 trägt den Titel „Kondensatorfunktion“ undsteht in der Library „Network_Control“ zur Verfügung. Esdient zur Umrechnung des Massenstroms am Ausgangvon Komponente 2 in die Druckdifferenz, welche an Komponente 4 angelegt wird. Wie Sie das Script hinterlegensehen Sie hier:

Beispiel 2

Komponenten des Ersatznetzwerks:

Komp.4: Generic (frei definierbare Komponente)

keine Eingaben erforderlich

Komp.5: Pipe: Cylindrical (Rohrleitung)

Length 400 m (Länge)Friction Option 1 (Reibungsart)Absolute Roughness 0.04 mm (Rauheit)Diameter 0.9 m (Durchmesser)

Komp.6: Reservoir: Const-Head (Behälter mit konst. Füllstand)

Pipe Diameter 0.9 m(Anschlussdurchmesser)

Liquid Level Above Base 1 m (Füllhöhe)Base Level Above Reference 0 m (Behälterniveau)Surface Pressure 1 bar (Behälterluftdruck)

Beispiel 2

Erläuterungen zum Ersatznetzwerk:

Ober- und Unterwasserkanal werden im Ersatznetzwerk jeweils durch eine Reservoir-Komponente dargestellt (Komponente 1 und 6). Es handelt sich dabei um „Constant-Head“ Reservoire, die unabhängig von der entnommenen Flüssigkeit den gleichen Füllstand bewahren. Die Höhendifferenz wird durch die Referenzierung der Reservoire mittels der Größe „Base Level above Reference“ definiert.

Die Komponente 2, Discrete Loss, steht stellvertretend für die mittels eines Zeta-Wertes definierten Widerstände. Diese Komponente ermöglicht die Beschreibung von Widerständen auf vielfältige Weise [z. B. Zeta=f(Re), Druckverlust=f(Volumenstrom)]. Prinzipiell wäre diese Komponente auch für die Modellierung des Kondensatorwider-standes geeignet.

Die Kombination der Komponenten 3 und 4 dient zur Darstellung des Kondensator-widerstandes. Hierzu wird mit der Komponente 3 der Massenstrom gemessen und über das hinterlegte Skript, der an Komponente 4 anzulegende Druckverlust berechnet.

Abschließend wird mit Komponente 5 eine Rohrleitung modelliert, die den Angaben der Aufgabenstellung entspricht.

Beispiel 2

Starten der Berechnung:

Starten Sie nun eine Berechnung im Modus „Steady State“ (SS) unter Verwendung der Standard-Werte.

Bei erfolgreich durchgeführter Rechnung beginnen Sie mit der Auswertung.

Beispiel 2

Auswertung der Strömungsgeschwindigkeit:

Wie im unteren Schema gezeigt stellt sich im Netz eine Geschwindigkeit von ca. 1.9 m/s ein. Dieser Wert entspricht auch dem in der Musterlösung ermittelten Wert. Für die Komponenten „Gauge: Template“ und „Generic“ können aufgrund der fehlenden Geometriedaten keine Geschwindigkeiten ermittelt werden.

Beispiel 2

Strömungsgeschwindigkeit (m/s)

DL

Reservoir:Const-HeadPipe:CylindricalGeneric

Gauge:Template

Discrete Loss

Reservoir:Const-Head

1.0981.1941.811.881

Auswertung der Druckverteilung:

Bei der Betrachtung der Drücke zeigt sich, dass zwischen Systemeintritt und Austritt eine Druckdifferenz von etwa 78300 Pa anliegt. Die Abweichung zu den in der Musterlösung angenommenen 78400 Pa beruht auf der unterschiedlich verwendeten Dichte (998.2Kg/m³ statt 1000 Kg/m³).

Beispiel 2

Druck (bar)

Vergleich mit der Musterlösung und Zusammenfassung:

Der manuell berechnete Massenstrom von 1200 kg/s kann durch die von Flowmaster berechneten 1203.5 kg/s bestätigt werden.

Die Abweichung zwischen Hand- und PC-Lösung beträgt unter 0.3 %.

Anhand von Beispiels 2 haben Sie eine erste Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der COM-Funktionalität (Component Object Model) kennen gelernt. Durch die universelle Einsetzbarkeit der COM-Komponenten können mit Flowmaster neben reinen Strömungsproblemen auch Fragen im Bereich des Zusammenspiels zwischen Fluidsystemen und der Regel- und Steuertechnik gelöst werden.

Auch eine Koppelung mit anderen Programmen ist mit Hilfe der COM-Funktionalität möglich.

Sehen Sie nun im nachfolgenden Beispiel, wie transiente (instationäre) Analysen für die Lösung zeitabhängiger Problemstellungen genutzt werden können.

Beispiel 2

Beispiel 3

Beispiel3 – Druckstoßberechnung

Eine typische Problemstellung, die mit Hilfe einer transienten Flowmaster Analyse gelöst werden kann, ist die Entwicklung und der Verlauf eines

Druckstoßes.

Die dieser Art der Berechnung zugrunde liegende Theorie wird in diesem Beispiel nicht behandelt.

Sehen Sie wie Sie solche Aufgaben mit Flowmaster schnell und sicher lösen können.

Beispiel 3

Problematik des Druckstoßes:

Druckstöße sind sehr starke Druckänderungen, die sich in den Rohrleitungen eines Systems ausbreiten, wenn große Schwankungen des Massenstroms auftreten.

Druckstöße entstehen z. B. durch den Ausfall von Pumpen oder durch das plötzliche Schließen eines Ventils.

Im Bereich von Anlagen des Flüssigkeitstransportes treten bedingt durch den hohen Energieinhalt der bewegten Flüssigkeiten infolge instationärer Betriebs-zustände dynamische Druckänderungen auf, welche die Anlagenteile erheblich belasten können.

Bei unzureichender Auslegung kann es daher zu beträchtlichen Schäden kommen.

Beschreibung des Beispiels 3:

Das Beispiel untersucht die Entwicklung eines Druckstoßes in einem einfachen System, bestehend aus einer Rohrleitung (Ø 0.3m, Rauheit 0.2mm), einem Klappenventil (Ø 0.3m) und zwei Behältern mit unterschiedlichem Füllstand. Durch einen Controller soll das Ventil innerhalb von 2 Sekunden vollständig geschlossen werden.

Mittels Flowmaster soll ein Vergleich zweier solcher Systeme mit unterschiedlich langen Rohrleitungen (1000m bzw. 10000m) durchgeführt werden.

Für beide Konfigurationen wird ein Druckunterschied angenommen, der zu einem Volumenstrom mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 1 m/s führt.

Sehen Sie auf der nächsten Folie den Aufbau des Netzwerks.

Beispiel 3

Beispiel 3

Abschätzung des Verhaltens:

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit („Wave Speed“) der Druckwellen ist abhängig von verschiedenen Faktoren wie z. B. der Elastizität des Rohres, dem Innendurchmesser, sowie der Dichte und der Elastizität des Fluids. Um das Modell möglichst einfach zu halten, wurde ein konstanter Wert von 1000m/s angenommen.

Für einfache Systeme wie dem Vorliegenden kann eine erste Abschätzung des zu erwartenden Druckstosses am Ursprungsort beim abrupten Ändern der Strömungsgeschwindigkeit auf 0 m/s nach der Gleichung von Joukowsky erfolgen:

p = c * v * p = Druckerhöhung [Pa]c = Wellengeschwindigkeit [m/s]v = Geschwindigkeitsänderung [m/s] = Dichte [kg/m³]

Hieraus ergibt sich bei einer Änderung von 1 m/s eine maximale Druckerhöhung von etwa 10 bar die sich an Knoten 2 und 5 zeigen wird. Auszugehen ist dabei vom Druck der sich durch den Füllstand von 97m in den Austrittsbehältern sowie den Strömungswiderstand der Ventile ergibt, also etwas über 10 bar.

Für eine reibungsfreie Flüssigkeit ergäbe sich an den Knoten 2 und 5 der auf der nächsten Folie gezeigte Druckverlauf.

Beispiel 3

Beispiel 3

Starten einer transienten Berechnung:

Beim Durchführen einer transienten Berechnung müssen über die Einstellungen die bei einer stationären Analyse gemacht werden hinaus noch einige andere Daten eingegeben werden.

Zunächst muss im Feld „Analysis Type“ von „Steady State (SS)“ auf „Transient (ST)“ umgestellt werden. Dadurch erscheinen im Bereich „General Analysis Data“ weitere Eingabefelder.

Für eine transiente Analyse zwingend vorzugeben sind dabei die Felder „Time Step“ (Schrittweite der transienten Analysen, in diesem Fall 0.025s) und „Analysis End Time“ (dem Zeitpunkt bei dem ausgehend von der „Analysis Start Time“ (Standard 0 s) die Berechnung beendet werden soll.

Beispiel 3

Beispiel 3

Auswertung der Berechnung:

Durch die Option „Dynamic Colouration“ kann während die Berechnung läuft, bereits das Verhalten des Druckstosses beobachtet werden. Auch wenn sich allein mit dieser Darstellung nur begrenzt etwas über die eigentlichen Druckspitzen sagen lässt, zeigt sich hier bereits sehr gut das pulsierende Verhalten und die unterschiedliche Frequenz des Stoßes in den verschieden langen Leitungen.

Beispiel 3


Um ein genaueres Bild des Druckstosses zu erhalten, kann in einem Diagramm der Druckverlauf über der Zeit an Knoten 2 und 5 dargestellt werden. Hierbei machen sich im Vergleich zur vorab gemachten Betrachtung einige Unterschiede bemerkbar. Um besser vergleichen zu können, soll der Bereich zwischen 0 und 24 Sekunden genauer untersucht werden.

Beispiel 3


Bei einem Vergleich der Kennlinien der Vorauslegung zu den mit Flowmaster berechneten Kennlinien fallen 3 wesentliche Unterschiede auf.

Der Druckverlauf erfährt eine Dämpfung, d. h. er strebt einem bestimmten Enddruck entgegen.

Die Druckentwicklung erfolgt nicht sprungartig wie in der Vorauslegung angenommen. Übergänge sind nicht so scharfkantig ausgeführt.

Der Druck steigt über den nach der Joukowsky Gleichung berechneten Wert an.

Diese drei Unterschiede sollen im weiteren begründet werden.

Beispiel 3

Dämpfung des Verlaufes:

Bei einer Auslegung des Systems von Hand kann der Effekt der Dämpfung in der Regel vernachlässigt werden, da die maximale und minimale Druckspitze üblicherweise in den ersten Peaks erreicht wird. Die Dämpfung ist unter Anderem davon abhängig, in welcher Form der Druckstoß begrenzt wird. In einem beidseitig geschlossenen System wird sich der Druckstoß deutlich länger halten als in einem System das an einem Ende z.B. zu einem großen Behälter geöffnet ist. Im Beispiel strebt der Druck in der Rohrleitung dem hydrostatischen Druck des Reservoirs entgegen, da ein Durchfluss durch das Ventil verhindert wird und das Reservoir die einzige Druckrandbedingung darstellt.

Beispiel 3

Druckentwicklung im System:

Die Abweichung bei der Druckentwicklung vom erwarteten Verlauf beruht auf dem Öffnungs- und Schließverhalten des Ventils. Da es für ein reales Ventil nicht sinnvoll ist von einem schlagartigen Absperren des Volumenstroms auszugehen, wurde von für die Flowmaster Berechnung von einem linearen Schließen innerhalb von 2 Sekunden ausgegangen. Im Druckanstieg spiegelt sich das Widerstandsverhalten des Ventils wieder. Wie im unteren Diagramm zu sehen ist, verändert sich bei schnellerem Schließen der Druckverlauf zu der in der Vorauslegung getroffenen Annahme.

Beispiel 3

Weitere Druckerhöhung (Line Packing):

Wie in der unteren Abbildung zu sehen, erhöht sich der Druck nach dem Erreichen des durch die Joukowsky Gleichung bestimmten Wertes noch weiter. Dieser Effekt ist als „Line Packing“ bekannt. Speziell bei langen Rohrleitungen kann dieser Effekt zu einem deutlich höheren Druck führen, der bei einer Auslegung des Systems nach Joukowsky zu Schäden führen kann.

Flowmaster zeigt, dass die Joukowsky Gleichung kein „konservatives“ Verfahren darstellt!

Beispiel 3

Diskretisierung der Rohrleitung:

Neben der Betrachtung der Knoten 2 und 5 zur Analyse des Druckstoßes können auch die Rohrleitungen betrachtet werden. Diese werden über so genannte „Internal Nodes“ genauer diskretisiert. Das bedeutet die Rohrleitung wird intern in gleich große Stücke unterteilt. Für jeden dieser internen Knoten werden im Ergebnis dann Werte für Druck, Volumenstrom und ggf. Temperatur berechnet. Bei einer transienten Analyse können diese Werte als Kennfeld über der Zeit und der Rohrlänge dargestellt werden. Dies ist auf den nächsten Folien zu sehen.

Beispiel 3

Interne Druckverteilung vs. Zeit & Rohrlänge:

Beispiel 3

Interner Vol.Strom vs. Zeit & Rohrlänge:

Beispiel 3

Betrachtung interner Werte:

Ähnlich wie im Modus „Dynamic Colouration“ haben Sie auch für diese internen Werte die Möglichkeit sich eine farblich abgestufte Darstellung anzeigen zu lassen. Außerdem haben Sie die Möglichkeit Kennfelder manuell zu drehen oder automatisch rotieren zu lassen.

Zusammenfassung:

In Beispiel 3 haben Sie nun verschiedene Möglichkeiten der Ergebnisdarstellung von transienten Analysen anhand einer typischen Anwendung aus dem Anlagenbereich kennen gelernt. Über diese Möglichkeiten hinaus finden sich noch andere Optionen wie z.B.:

• Darstellung bestimmter Werte zu einem bestimmten Zeitpunkt im Netzwerk.• Tabellarische Ausgabe von Werten.• Erzeugung einer Hüllkurve um den Druckstoßverlauf.• Betrachtung von internem Volumenstrom bzw. Druck an einem bestimmten

internen Knoten.

Dadurch steht mit Flowmaster ein zuverlässiges Werkzeug zur Ermittlung (auch sicherheitsrelevanten) Druck- und Durchflussverhaltens in zeitabhängigen Systemauslegungen zur Verfügung.

Beispiel 3

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Kurzeinführung