Keimgehalt (15/16) - Einsatz der in-situ-düse am Prüfstand

Transkript

1 Keimgehalt (15/16) - Einsatz der in-situ-düse am Prüfstand Versuchsobjekt für Kavitationsuntersuchungen Messdüse Kugelhahn 1 Seitenkanalpumpe MID Kugelhahn 115

2 statischer Druck [bar] Keimgehalt (16/16) - Durchflusscharakteristik der in-situ-düse (Messung/Simulation) 48mm 5mm 1,5 1 Druckdifferenz (Düsencharakteristik): Δp p 48 p 5 0,03 V 0,0049 V0,0015 Zugspannung: p (p Δp) Zf v 48 p48 0,011 V 0,0005 V 0,988 0,5 0-0,5-1 Druck 48mm (Messung) Druck 5mm (Messung) Druck 48mm (FLUENT) Druck 5mm (FLUENT) Volumenstrom [l/min] p5 0,0333 V 0,0044 V 0,

3 3..1. Zugfestigkeit (1/4) Definition: Z = p v () - p WK = p v () - p WD + K Q WD p v () = Dampfdruck Z > 0 Z = 0 Z < 0 zugfestigkeitsbehaftet zugfestigkeitsfrei negative Zugfestigkeit (Pseudokavitation) c 0 = 9,50 m/s; s = 0,69 117

4 3..1. Zugfestigkeit (/4) Berücksichtigung der Zugfestigkeit Einführung der modifizierten Kavitationskennzahl s ' i p0 p c krit 0 p 0 pv p c0 ts mit: p ts c Z 0,6 c 0,46 s ' i s i s ts mit: s ts pts c 0 118

5 3..1. Zugfestigkeit (3/4) s ui 1,6 1,4 1, 1,0 n = 000 min -1 Gasgehalt: 0,98% Z = 0,00 bar Z = 0,45 bar Z = 0,60 bar 0,8 0,6 s u,i ptot,0 p u 1, a v 0,4 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 q [ - ] 119

6 3..1. Zugfestigkeit (4/4) s ui 1,6 1,4 1, 1,0 n = 000 min -1 Z = 0,45 bar Z = 0,00 bar Messung berechnet 0,8 0,6 0,4 s ui s u,i ptot,0 p u 1, a v 0, 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 s ' u,i q [ - ] ptot,0 pkrit ptot,0 pv pts s u,i ber. u 1, a u 1, a s u,i s u,i 10

7 3.. Art der Feststellung Visuell: a.) optische Zugänglichkeit b.) Empfindlichkeit: - R max R Gr,vis - Ereignis-Häufigkeit (da stochastischer Vorgang) Akustisch: a.) akustische Zugänglichkeit b.) Empfindlichkeit: - Aufnahmeart und -ort - Frequenzbereich - Störgeräusche - R max R Gr,ak - Ereignis-Häufigkeit (da stochastischer Vorgang) Bedingung für R max R Gr,x : - p p krit - t t min (p v - p, R Gr ) 11

8 3..3 Wirkdauer t von p i p p 0 p v p * p - p v * t t Nach der Blasendynamik: Für R max = R Gr : p 3 p t bzw. R pv p min pv pi ~ t Hinweis: R Gr,vis /R Gr,ak 5 10 R t max min ~ p R v Gr v p Gr 1

9 Potentialtheoretische Druckverteilung c 0 1,0 c p Dimensionsloser Druckbeiwert c p px p c0 0 x Für c p,min gilt: px p x pmin c p,min min c p,min 13

10 3..4. Reibungseffekte (1/13) - Turbulenz c r,t c r c' r,t Schwankungsbewegung zeitlicher Mittelwert p r,t pr p' r,t Frequenz der Schwankungen: 0 Hz 1 khz p p p m i n, K a v. p m i n p m a x p' p' p eff p' 4 p max ' eff p p min ' max t 1 t p min, Kav. p ' eff 1,4 1,9 p 14

11 3..4. Reibungseffekte (/13) - turbulente Grenzschicht Grenzschicht ohne Ablösung laminare Grenzschicht Umschlag turbulente Grenzschicht c 0 Übergang laminar turbulent c p x c p -Verlauf, ohne Grenzschicht c p -Verlauf, mit Grenzschicht 15

12 3..4. Reibungseffekte (3/13) - turbulente Grenzschicht Ort des Kavitationsbeginns Vorwiegend im Bereich des Umschlages (oder in der turbulenten Grenzschicht) c 0 c p Kavitationsbeginn x c p -Verlauf, ohne Kavitation c p -Verlauf, mit Kavitation c p -Band infolge Turbulenz 16

13 3..4. Reibungseffekte (4/13) - turbulente Grenzschicht Typ der Kavitation Einzelblasen Einflussfaktoren Reynolds-Zahl (über Ort und Druck der Umschlagszone) Turbulenzgrad Keimgehalt 17

14 3..4. Reibungseffekte (5/13) - turbulente Grenzschicht 18

15 3..4. Reibungseffekte (6/13) - laminare Ablöseblase Grenzschicht mit laminarer Ablöseblase laminare Grenzschicht Ablösung stromab vom Druckminimum Transition (Umschlag laminar - turbulent) Wiederanlegen der turbulenten Grenzschicht Ort des Kavitationsbeginns In der Ablöseblase Ablösung Transition turbulent laminar Ablöseblase 19

16 3..4. Reibungseffekte (7/13) - laminare Ablöseblase Typ der Kavitation Band- oder Ringkavitation (zusammenhängendes Dampfgebiet) Einflussfaktoren Ablöseblase nur in begrenztem Reynolds-Bereich 130

17 3..4. Reibungseffekte (8/13) - frei Scherschichten Grenzschicht mit vollständiger Ablösung (z.b.: stumpfe Körper, zu stark angestellte Profile, scharfkantige Konturen) freie Scherschichten d.h. Trennung der Strömungsschichten mit unterschiedlicher Geschwindigkeit (Grenze zwischen Strömung und Totwassergebiet) Wirbel Totwassergebiete 131

18 3..4. Reibungseffekte (9/13) - frei Scherschichten c 1 c w Ort des Kavitationsbeginns Im Kern der Wirbel innerhalb der freien Scherschicht Typ der Kavitation Wirbelkavitation r c c+c 1 wegen Einflussfaktoren starker Einfluss des Keimgehaltes s i steigt mit zunehmender Geschwindigkeit bzw. Reynoldszahl ist p r p min w r p k 0,6 1,0 k c 13

19 3..4. Reibungseffekte (10/13) - freie Scherschichten 133

20 3..4. Beispiel Reibungseffekte (11/13) - Strahlvermischungszone 134

21 3..4. Reibungseffekte (1/13) - Rauigkeit Arten Einzelrauigkeiten (z.b.: Grate, Kerben, Farbreste) verteilte Rauigkeiten (vom Fertigungsprozess herrührend) Wirkung Zusätzliche Verwirbelung und Druckabsenkung hinter den Rauigkeitserhebungen. c * p,rauh c 1 * p, glatt * cp, glattcp, R c p, R h, frauigkeiten, Re h 135

22 3..4. Reibungseffekte (13/13) - Rauigkeit Ort des Kavitationsbeginns Im Bereich des Minimums von c p, glatt (Kern der Wirbel) unmittelbar an den höchsten Rauigkeiten Typ der Kavitation Anhaftende Streifen Einflussfaktoren Rauigkeitsform und -höhe Reynoldszahl und Grenzschichtdicke Verhältnis h/ 136

23 3.3.1 Geschwindigkeitseinfluss (1/4) c 0 = 5,0 m/s s =,49 c 0 = 11,0 m/s s =,49 137

24 3.3.1 Geschwindigkeitseinfluss (/4) mit: Basiswert s s s 0 = charakteristische Kenngröße für bestimmte Körperform und Fortschrittsgrad der Kavitation Referenzgeschwindigkeit c ref = f(strömungstyp) d.h. für bestimmte abgelöste Strömungen 1 m/s 0 1 Für Pumpen - Drehzahlmaßstabseffekt: c c ref s u s u0 1 u u 1a ref mit: s u0 = Basiswert der Kavitationskennzahl s u für einen bestimmten Betriebszustand u ref = charakteristische Bezugs-Umfangsgeschwindigkeit 138

25 3.3.1 Geschwindigkeitseinfluss (3/4) s Geschwindigkeitsmaßstab: halbkugelig (30 mm, 1% Turbulenz) 1, 1,0 0,8 0,6 0,4 0, 0 5,0 8,0 11,0 14,0 c0 [m/s] 139

26 3.3.1 Geschwindigkeitseinfluss (4/4) s ui [ - ],5,0 1,5 Z = 0, beg. Kav. u ref = 4,0 m/s q m = 1,044 = 1,101 q m q m = 1,17 s ui0 = 1,0 1,0 s ui0 = 0,66 s ui0 0,5 = 0,40 0, u 1a [m/s] 140

27 3.3. Größeneinfluss (1/3) 50 mm c 0 = 11,0 m/s s =, mm c 0 = 11,0 m/s s =,49 00 mm c 0 = 11,0 m/s s =,49 141

28 3.3. Größeneinfluss (/3) s 0 k L L ref 1 mit: Referenzlänge L ref = charakteristische Körperabmessung Formparameter k = f(körperform) d.h. kleine k-werte entsprechen strömungsgünstigen Körperformen; strömungsungünstige Formen haben große k-werte 14

29 3.3. Größeneinfluss (3/3) Größenmaßstab: Tragflügelprofil (8 m/s, 1% Turbulenz) s = ,5 3,5 1,5 1 0, L [mm] 143

30 3.3.3 Einfluss der Turbulenz Bei gleichen Strömungsgrößen wächst die Kavitationszahl für beginnende Kavitation entwickelt sich die Kavitation stärker für fortgeschrittene Kavitation mit zunehmenden Turbulenzgrad der Zuströmung. Der Einfluss zeigt annähernd lineare Abhängigkeit. 144

31 Inhaltsübersicht zum Kapitel 4 Fortgeschrittene Kavitation 4.1 Begriffe zur fortgeschrittenen Kavitation 4. Wolkenkavitation ( Cloud Cavitation ) 4.3 Fixed Cavity 4.4 Beispiel zur Beeinflussung der fortgeschrittenen Kavitation 4.5 Zustände für s << s i 145