Keimgehalt (12/16) - Wirbeldüse

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1 Keimgehalt (1/16) - Wirbeldüse Funktionsprinzip Überlagerung von Wirbelströmung Düsenströmung liefert im engsten Querschnitt p WK =p WD -K Q WD p WK = Druck im Wirbelkern p WD = Druck vor dem Eintritt in die Wirbeldüse Q WD = Durchfluss durch die Wirbeldüse K = Kalibrierfaktor = f(geometrie, Grenzschicht, Reibung) 9. November 011 Dr. Ludwig Vorlesung Kavitation WS 011/1 110

2 Keimgehalt (13/16) - Einsatz der Wirbeldüse am Prüfstand und Ihre Nachteile 1 0 niedriger Druck hohe Turbulenz lange Verweilzeit Ggf. starkes Ausgasen, Entstehen von Keimen, die Wasserqualität ändert sich. modifizierte Kavitationszahl nicht anwendbar 06. Dezember 011 Dr. Ludwig Vorlesung Kavitation WS 011/1 111

3 Keimgehalt (14/16) - Aufbau der in-situ-düse Druckmessstelle stromab im Diffusor Kanalströmung Akustischer Sensor zur Detektion des Kavitationsbeginns Problem: Bedingt durch Kavitation sind Druckmessungen direkt im engsten Querschnitt nicht möglich Variable Absaugung 06. Dezember 011 Dr. Ludwig Vorlesung Kavitation WS 011/1 11

4 Keimgehalt (15/16) - Einsatz der in-situ-düse am Prüfstand Versuchsobjekt für Kavitationsuntersuchungen Messdüse Kugelhahn 1 Seitenkanalpumpe MID Kugelhahn 06. Dezember 011 Dr. Ludwig Vorlesung Kavitation WS 011/1 113

5 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, Dezember 011 Dr. Ludwig Vorlesung Kavitation WS 011/1 114

6 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, Dezemberr 011 Dr. Ludwig Vorlesung Kavitation WS 011/1 115

7 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 Dezemberr 011 Dr. Ludwig Vorlesung Kavitation WS 011/1 116

8 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 [ - ] 06. Dezemberr 011 Dr. Ludwig Vorlesung Kavitation WS 011/1 117

9 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 06. Dezember 011 Dr. Ludwig Vorlesung Kavitation WS 011/1 118

10 3.. Art der Feststellung Visuell: a.) optische Zugänglichkeit b.) Empfindlichkeit: - R max R Gr,vis - Ereignis-Häufigkeit (da ja stochastischer Vorgang) Akustisch: a.) akustische Zugänglichkeit b.) Empfindlichkeit: - Aufnahmeart und -ort - Frequenzbereich - Störgeräusche - R max R Gr,ak - Ereignis-Häufigkeit (da ja stochastischer Vorgang) Bedingung für R max R Gr,x : - p p krit - t t min (p v - p, R Gr ) 06. Dezember 011 Dr. Ludwig Vorlesung Kavitation WS 011/1 119

11 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 : bzw. p 3 p t Hinweis: R Gr,vis /R Gr,ak 5 10 R t max min ~ p R v Gr v p R Gr pv p min pv pi ~ t 06. Dezember 011 Dr. Ludwig Vorlesung Kavitation WS 011/1 10

12 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 cp,min min c p,min 06. Dezember 011 Dr. Ludwig Vorlesung Kavitation WS 011/1 11

13 3..4. Reibungseffekte (1/1) - 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 06. Dezember 011 Dr. Ludwig Vorlesung Kavitation WS 011/1 1

14 3..4. Reibungseffekte (/1) - 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 06. Dezember 011 Dr. Ludwig Vorlesung Kavitation WS 011/1 13

15 3..4. Reibungseffekte (3/1) - 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 06. Dezember 011 Dr. Ludwig Vorlesung Kavitation WS 011/1 14

16 3..4. Reibungseffekte (4/1) - turbulente Grenzschicht Typ der Kavitation Einzelblasen Einflussfaktoren Reynolds-Zahl (über Ort und Druck der Umschlagszone) Turbulenzgrad Keimgehalt 06. Dezember 011 Dr. Ludwig Vorlesung Kavitation WS 011/1 15

17 3..4. Reibungseffekte (5/1) - 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 06. Dezember 011 Dr. Ludwig Vorlesung Kavitation WS 011/1 16

18 3..4. Reibungseffekte (6/1) - laminare Ablöseblase Typ der Kavitation Band- oder Ringkavitation (zusammenhängendes Dampfgebiet) Einflussfaktoren Ablöseblase nur in begrenztem Reynolds-Bereich 06. Dezember 011 Dr. Ludwig Vorlesung Kavitation WS 011/1 17

19 3..4. Reibungseffekte (7/1) - 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 06. Dezember 011 Dr. Ludwig Vorlesung Kavitation WS 011/1 18

20 3..4. Reibungseffekte (8/1) - 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 06. Dezember 011 Dr. Ludwig Vorlesung Kavitation WS 011/1 19

21 3..4. Reibungseffekte (9/1) - freie Scherschichten 06. Dezember 011 Dr. Ludwig Vorlesung Kavitation WS 011/1 130

22 3..4. Beispiel Reibungseffekte (10/1) - Strahlvermischungszone 06. Dezember 011 Dr. Ludwig Vorlesung Kavitation WS 011/1 131

23 3..4. Reibungseffekte (11) - Rauhigkeit Arten Einzelrauhigkeiten (z.b.: Grate, Kerben, Farbreste) verteilte Rauhigkeiten (vom Fertigungsprozess herrührend) Wirkung Zusätzliche Verwirbelung und Druckabsenkung hinter den Rauhigkeitserhebungen. c * p,rauh c 1 * p, glatt * cp, glattcp, R c p, R frauhigkeiten, h, Re h 06. Dezember 011 Dr. Ludwig Vorlesung Kavitation WS 011/1 13