Strömungstechnische Optimierung des neuen Akustikwindkanals …stroemungsakustik.de/old.mv.fh-duesseldorf.de/d_pers/Ka... · 2017-02-20 · Fachbereich Maschinenbau HSD und Verfahrenstechnik

Fachbereich Maschinenbau

und Verfahrenstechnik

HSDHochschule Düsseldorf

University of Applied Sciences

ISAVEInstitute of Sound and Vibration

Engineering

Kolloquium

Strömungstechnische

Optimierung des neuen

Akustikwindkanals am

Campus Derendorf mittels

CFD

Bearbeiterin: Pia Hesselbach, B.Eng. (555436)

Erstprüfer: Prof. Dr. Matthias Neef 27.04.2016

Hochschule Düsseldorf

University of Applied SciencesKolloquium

AGENDA

1. Aufbau und Funktionsweise eines Windkanals

2. Ausgangssituation

3. Zielsetzung

4. Auslegung des Radialventilators

5. Gestaltung einzelner Windkanalkomponenten

• Düse

• Umlenkschaufeln

6. Auswertung der numerischen Strömungssimulation

7. Ausstehende Validierung

2



AUFBAU UND FUNKTIONSWEISE EINES WINDKANALS

3

• Vermessung und Untersuchung von aerodynamischen und

aeroakustischen Eigenschaften von Objekten (z.B. Fahrzeugen,

Flugzeugen)

• Untersucht werden u. a. Strömungsverhalten, Luftwiderstand,

dynamische Auftrieb und Druckverteilung

[Wagner]



AGENDA



3. Zielsetzung



• Düse

• Umlenkschaufeln



4



AUSGANGSSITUATION

5

• Fa. Dingler

• Baujahr 1968

• Windkanal der Göttinger Bauart

• Niedergeschwindigkeits-Windkanal mit offener Messtrecke

Umlenkung durch gebogene, nicht-profilierte Metallplatten herbeigeführt

Windkanal in sog. liegender Position betrieben



AUSGANGSSITUATION

vorhandener

WindkanalDüsendurchmesser 600 mm (rund)

Kontraktionsverhältnis 4,98

max. Messstreckenlänge 1200 mm

max. Strömungsgeschwindigkeit 50 m/s

max. Volumenstrom 14,1 m3/s

Gebläse einstufiges Axialgebläse, drehzahlgeregelt

Antriebsmotor Gleichstrommotor 23 kW,

2000 min-1

(max.)

Messtechnik Dreikomponenten-Waage (Firma. Pfister)

1100 Pa bei 50 m/smax. Totaldruckerhöhung

6



AGENDA



3. Zielsetzung



• Düse

• Umlenkschaufeln



7



ZIELSETZUNG

Auslegung eines strömungstechnisch optimierten Akustikwindkanals im

Zuge des Neubaus Campus Derendorf

Gründe:

• Vorhandener Windkanal unter technologischen Gesichtspunkten

hinsichtlich Effizienz und Präzision nicht mehr zeitgemäß

durch profilierte Umlenkschaufeln lassen sich geringere Strömungsverluste

und bessere Strömungsführung erreichen

optimierte Düsenkontur sorgt für konstante Geschwindigkeit am

Düsenaustritt und gleicht Unförmigkeiten im Strömungsprofil aus

durch effizienteres Gebläse im optimalen Betriebspunkt kann ein

Wirkungsgrad von bis zu 87% erreicht werden

• Zukünftiges Einsatzgebiet u. a. akustische Messungen

derzeit bei Volllastbetrieb nur mit Gehörschutz

8



Erdgeschoss

ZIELSETZUNGVERGLEICH BEIDER VARIANTEN

9

NEU:

rechteckige Düse

besser für CFD Netze

Radialventilator

[Wagner]

Untergeschoss



ZIELSETZUNG

vorhandener

Windkanal

neuer

WindkanalDüsendurchmesser 600 mm (rund) 532 x 532 mm (recheckig)

Kontraktionsverhältnis 4,98 6

max. Messstreckenlänge 1200 mm 1200 mm

max. Strömungsgeschwindigkeit 50 m/s 50 m/s

1400 Pa bei 50 m/s

(geschlossener Betrieb)

2700 Pa bei 30 m/s

(Freistrahlkonzept)

max. Volumenstrom 14,1 m3/s 18,03 m

3/s

Gebläse Einstufiges Axialgebläse,

drehzahlgeregelt

Radialventilator

Messtechnik Dreikomponenten-Waage

(Firma. Pfister)

Dreikomponenten-Waage

(Firma. Pfister)

1100 Pa bei 50 m/smax. Totaldruckerhöhung

10



AGENDA



3. Zielsetzung



• Düse

• Umlenkschaufeln



11



AUSLEGUNG DES RADIALVENTILATORS

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Auslegung nach folgenden

Eingabeparameter

Zur Auslegung und Dimensionierung des Radialventilators stand das

hausinterne CAE-Programm zur Verfügung.



AGENDA



3. Zielsetzung



• Düse

• Umlenkschaufeln



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GESTALTUNG DÜSE

Folgende Parameter aus Konzeptstudie und Ausschreibung vorgegeben:

• Kontraktionsverhältnis 𝜅 = 6

• rechteckige Düsenform

• Düsenaustrittsbreite = 532 mm

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GESTALTUNG DÜSE

Berechnung zur Düsenkontur

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Geometrische Eigenschaften der Düse um ein gleichförmiges

Geschwindigkeitsprofil mit niedrigen Turbulenzen zu erreichen:

das Kontraktionsverhältnis , (aeroakustischen Windkanal = 5,5 ... 6,0. [Hucho, 2005])

𝜅 =𝐴𝐷ü𝑠𝑒𝑛𝑒𝑖𝑛𝑡𝑟𝑖𝑡𝑡𝐴𝐷ü𝑠𝑒𝑛𝑎𝑢𝑠𝑡𝑟𝑖𝑡𝑡

⇒ 𝑟2 = 𝜅 ∙ 𝑟12 = 6 ∙ 523𝑚𝑚2 = 651,65𝑚𝑚

die Düsenkontur

𝑟−𝑟1

𝑟2−𝑟1=

𝑥

𝐿

32 −

𝑥

𝐿

3nach C. Schreck und R. Wille (1963)

Randbedingungen

αmax ≤ 43° und L ≥ 2,5 ∙ r2 − r1



GESTALTUNG UMLENKSCHAUFELN

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… turbulente Strömung!

[Schade]

[Eck][Wagner]



AGENDA



3. Zielsetzunh



• Düse

• Umlenkschaufeln



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AUSWERTUNG DER NUM. STRÖMUNGSSIMULATION

18

numerische Untersuchungen

Geometrieerzeugung des Windkanals mit Inventor

Vernetzung einzelnen Komponenten

CFD Berechnung mit ANSYS CFX

Aufzeigen der Strömungstopologie anhand von:

- Vektorplots - Stromlinien - Konturplots

Monitoring von Wirbelstrukturen durch das Q-Kriterium

Darstellung von Druckschwankungen



AUSWERTUNG DER NUM. STRÖMUNGSSIMULATION

Vorstudie

Bereich: Messstrecke

Düse ohne Flansch /

Kollektor mit Wulst

Düse mit Flansch /

Kollektor (rund)

Düse ohne Flansch /

Kollektor (rund)

Hauptstudie

Bereich: Gesamter Windkanal

Analyse 1:

Form der Umlenkschaufeln nach [Wagner]

Analyse 2:

Anzahl und Form der Umlenkschaufeln angepasst

Analyse 3:

Einbauten im Diffusors

Unterteilter Simulationsbereich

Analyse 4:

Form der Umlenkschaufeln angepasst

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SIMULATIONSERGEBNISSEGESAMTER WINDKANAL

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Analyse 1Timestep=1002

Messstrecke

Umlenkecke 4Umlenkecke 1

Umlenkecke 2

Diffusor



SIMULATIONSERGEBNISSEMESSSTRECKE, GESCHWINDIGKEIT, VEKTORPLOT

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Analyse 1 Analyse 2 Analyse 4

Düsenaustritt 62,9 63,0 63,2

Freistrahl nach 1/3 des Düsenaustritt 44,4 44,4 44,4

Freistrahl nach 2/3 des Düsenaustritt 32,3 32,2 32,2

Eintritt Auffangtrichter 28,3 28,4 28,3

Messstellemittlere Geschwindigkeit [m/s]



Simulationsergebnisse am Beispiel der

Umlenkecke 1

SIMULATIONSERGEBNISSEUMLENKECKE 1, GESCHWINDIGKEIT, STROMLINIE

23

Timestep=1261Timestep=1002

Timestep=1200Timestep=1175



SIMULATIONSERGEBNISSEUMLENKECKE 1, DRUCK, KONTURPLOT

24

Ecke

4 E

intr

itt

Ecke

4 A

ust

ritt

del

ta_

p E

cke

4

Ecke

1 E

intr

itt

Ecke

1 A

ust

ritt

del

ta_

p E

cke

1

Ecke

2 E

intr

itt

Ecke

2 A

ust

ritt

del

ta_

p E

cke

2Analyse Nr. 1 3078,0 3066,5 11,5 1826,8 1655,8 171,0 1653,9 1579,0 74,9

Analyse Nr. 2 3052,7 3046,9 5,8 1824,1 1747,3 76,8 1714,5 1662,8 51,7

Analyse Nr. 4 3064,5 3048,7 15,8 1818,0 1738,1 79,9 1680,7 1636,0 44,7

Totaldruck

[Pa]



Simulationsergebnisse am Beispiel

des Diffusors und der Umlenkecke 4

SIMULATIONSERGEBNISSEDIFFUSOR, GESCHWINDIGKEIT, STROMLINIE

Endgültige Geometrie

(Analyse 4)

25

Timestep=1200

> 8°

Timestep=1002

1. Simulationsgeometrie

(Analyse 1)



SIMULATIONSERGEBNISSEGESAMTER WINDKANAL, GESCHWINDIGKEIT, STROMLINIE

26




SIMULATIONSERGEBNISSEGESAMTER WINDKANAL, GESCHWINDIGKEIT, STROMLINIE

27




SIMULATIONSERGEBNISSEGESAMTER WINDKANAL, DRUCK, KONTURPLOT

29

∆𝑝 = 1513,6 𝑃𝑎

Zur Erinnerung:

max. Druckverluste bei 50 m/s (geschlossener Betrieb) => 1400 Pa



SIMULATIONSERGEBNISSEGESAMTER WINDKANAL, WIRBELSTRUKTUR

30



SIMULATIONSERGEBNISSEFAZIT

• Ablösefreie und gleichmäßige Durchströmung des

Windkanals und der Messstrecke

• max. Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der Messstrecke

von 50 m/s

• Totaldruckverlust von 1400 Pa annähernd erreicht

• Akustische Messungen möglich

• durch Schallschutzmaßnahmen wie Kulissenschalldämpfer und

Lochblechverkleidung der Kanalwand

• durch räumliche Trennung

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AGENDA



3. Zielsetzung



• Düse

• Umlenkschaufeln



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AUSSTEHENDE VALIDIERUNG

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Weitere Simulationen

• mit neuem Ausgangsprofil des Radialventilators

• mit höherer Rohrrauigkeit => höherer Druckverlust

• Betrachtung des Freistrahlkonzeptes

Im Betrieb

• bei Auftreten von Verwirbelungen => Beruhigungskammer mit Einbauten (Gleichrichter, Siebe) versehen



LITERATUR

[Eck] Eck, Bruno (1991): Technische Strömungslehre. Band 2: Anwendungen.

9., überarb. Aufl. Berlin: Springer.

[Schade] Schade, Heinz; Kunz, Ewald; Kameier, Frank; Paschereit, Christian

Oliver (2013): Strömungslehre. 4., neu bearb. Aufl. Berlin, Boston,

Mass.: De Gruyter (De-Gruyter-Studium).

[Wagner] Wagner, Stefan (2010): Konzeptstudie eines leisen Windkanals unter

Berücksichtigung eines Radialventilatorantriebs. Master-Thesis. FH

Düsseldorf, Düsseldorf. Institute of Sound and Vibration Engineering.

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Pia Hesselbach B. Eng.

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T +49 211 4357 – 848

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