CFD-Simulation von Störkörpern

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1 CFD-Simulation von Störkörpern Arbeitsgruppe 7.52 Neue Verfahren der Wärmemengenmessung Fachgebiet Fluidsystemdynamik - Strömungstechnik in Maschinen und Anlagen

2 Vor-Ort-Kalibrierung von Durchflussmessgeräten in der Fernwärme Kooperationspartner: Ziel: Vor-Ort-Kalibrierung eingebauter Messgeräte im Berliner Fernwärmenetz Durch spezielles Anbohrverfahren optischen Zugang schaffen Mit LDV-Messung eines Pfades den Volumenstrom Bestimmen Herausforderung: Messstellen der Fernwärmeleitungen begrenzt Große Durchmesser (> 400 mm), hohe Temperaturen (>80 ), hohe Durchflüsse Verschiedene Störungen im Rohr, keine ausreichend lange gerade Rohrstrecke vor Messort kein Rotationssymmetrisches Strömungsprofil Großer Fehler in der Durchflussbestimmung 2

3 w [m/s] w [m/s] Vor-Ort-Kalibrierung von Durchflussmessgeräten in der Fernwärme Idee: CFD-Simulation der Strömung hinter Stör-Geometrie Rekonstruktion des Strömungsprofils auf restlichem Querschnitt CFD r [m] y [m] x [m] Volumenstrom Unsicherheit? 3

4 Vor-Ort-Kalibrierung von Durchflussmessgeräten in der Fernwärme Simulation verschiedener Störungen von Rohrströmungen Vergleich von CFD Ergebnissen und LDV- und PIV-Messungen auf dem gesamten Rohrquerschnitt Untersuchung von: - ungestörten Geschwindigkeitsprofilen - durch eine 1/3 Segmentblende gestörte Geschwindigkeitsprofile - durch Rohrkrümmer gestörte Geschwindigkeitsprofile Beurteilung des Einflusses von Turbulenzmodellen Vergleich der Simulationsergebnisse der axialen Strömungsgeschwindigkeiten nach einem Raumkrümmer bei unterschiedlichen Turbulenzmodellen mit einer PIV-Messung PIV-Messung k-ε Turbulenzmodell k-ω Turbulenzmodell LRR Turbulenzmodell 4

5 Vor-Ort-Kalibrierung von Durchflussmessgeräten in der Fernwärme Simulation einer ungestörten Rohrströmung Vergleich der Simulationsergebnisse der axialen Strömungsgeschwindigkeiten nach einem Raumkrümmer bei unterschiedlichen CFD-Programmen Ansys CFX OpenFOAM 5

6 Unsicherheit in Strömungssimulationen Vergleichbarkeit von Messung und Simulation Simulation Realität Modell Randbedingungen Diskretisierung Strömungsverhalten nur näherungsweise bekannt Randbedingungen nur näherungsweise bekannt Diskretisierungsfehler Näherungslösung idealisierter Realität Abweichung Messung 6

7 Vor-Ort-Kalibrierung von Durchflussmessgeräten in der Fernwärme Simulation verschiedener Störungen von Rohrströmungen Untersuchung des Einflusses verschiedener Einlassgeschwindigkeitsprofile Untersuchung des Einflusses von verschiedenen Inlet- Profilen Als Einlassbedingung Geschwindigkeitsprofile nach: - 1/3 Segmentblende - Rohrkrümmer Vergleich mit voll ausgebildetem Geschwindigkeitsprofil Auswertung bei 1D hinter einem Krümmer an 10 Ebenen 7

8 Vor-Ort-Kalibrierung von Durchflussmessgeräten in der Fernwärme Simulation verschiedener Störungen von Rohrströmungen Untersuchung des Einflusses verschiedener Einlassgeschwindigkeitsprofile Blende Krümmer - Erzeugung von Einlassprofilen durch zuvor durchgeführte Simulationen von Blenden- und Krümmergeometrien - Übernehmen der Geschwindigkeitswerte und Turbulenzgrößen als Einlassbedingung - Als Referenz dient eine Simulation mit einem voll ausgebildeten Geschwindigkeitsprofil als Einlassbedingung 8

9 Vor-Ort-Kalibrierung von Durchflussmessgeräten in der Fernwärme Simulation verschiedener Störungen von Rohrströmungen Untersuchung des Einflusses verschiedener Einlassgeschwindigkeitsprofile Darstellung der Abweichung der axialen Strömungsgeschwindigkeit nach der L1-Norm 9

10 Unsicherheits-Quantifizierung Unsicherheits-Quantifizierung (uncertainty quantification) akzeptierter Begriff *. Aber: eine metrologische Rückführbarkeit ist NICHT möglich. Rückführbarkeit bedeutet: das Ergebnis (einer Messung) kann durch eine dokumentierte ununterbrochene Kette von Kalibrierungen, von denen jede zur Messunsicherheit beiträgt, auf eine Referenz bezogen werden**. *Von SIAM (Society for Industrial and Applied Mathematics) und ASA (American Statistical Association) **Definition Rückführbarkeit, Internationales Wörterbuch der Metrologie DIN Randbedingungen: Viskosität Rauheit Geometrie Strömungsbedingungen vor der Störung Unsicherheit Abschätzung Monte Carlo Methoden Gaussian Process Emulation Polynomial Chaos Stärkster Einfluss Untersuchung eines Raumkrümmers (mit AG 8.41, A. Fiebach, S. Schmelter) 10

11 PC- Anwendung auf Raumkrümmer Raumkrümmer mit unsicherheitsbehaftetem Eingangsprofil Raumkrümmer erzeugt starke Störung (Drall und Asymmetrie!) Raumkrümmer ist am häufigsten vorkommende Störung in Fernwärmeleitungen Vor einem Raumkrümmer ist meistens wieder ein Raumkrümmer Idee: Erzeugung eines physikalisch sinnvollen Eingangsprofils durch einen Raumkrümmer Zufallsvariable ist der Abstand des vorherigen Krümmers [0,50] z / D (uniform Verteilt) Inflow 0 D 50 D Abstand in z/d von Raumkrümmer Vorteil: Eingangsprofil ist physikalisch sinnvoll Variation von nur einer Größe liefert alle benötigten Variablen (u, v, w, k, ω, ԑ) 11

12 PC- Anwendung auf Raumkrümmer Ebene 1 2D Abstand Erwartungswert Standardabweichung links drehend rechts drehend 12

13 PC- Anwendung auf Raumkrümmer Ebene 10 47D Abstand Erwartungswert Standardabweichung links drehend rechts drehend 13

14 PC- Anwendung auf Raumkrümmer Kombination links und rechts drehend Erwartungswert Standardabweichung Ebene 1 2D Abstand Ebene 3 12D Abstand 14

15 Raumkrümmer Qualitativer Vergleich Simulation Abweichung von Simulation und Messung in % bezogen auf die Volumetrische geschwindigkeit w Hohe Geschwindigkeit kleine Fehler Niedrige Geschwindigkeit große Fehler 15

16 Raumkrümmer Inlet: Erwartungswert Drall links drehend rechts drehend Ebene 2 7D Abstand Ebene 10 47D Abstand 16

17 PC- Anwendung auf Raumkrümmer Integral der Standardabweichung der Hauptströmungsrichtung der jeweiligen Auswerteebene in % 17

18 PC- Anwendung auf Raumkrümmer Ebene 1 2D Abstand 18

19 PC- Anwendung auf Raumkrümmer Ebene 9 42D Abstand 19

20 PC-Bestimmung des Volumenstroms Ebene 4 17D Abstand Multiplikation der Messkurve mit konstantem Faktor bis zu den Grenzen der Fehlerbalken. nach oben: nach unten: Unsicherheit im Durchfluss: ~5% 20

21 PC-Bestimmung des Volumenstroms Ebene 5 22D Abstand Multiplikation der Messkurve mit konstantem Faktor bis zu den Grenzen der Fehlerbalken. nach oben: 1.02 nach unten: 0.99 Unsicherheit im Durchfluss: ~3% 21

22 Motivation Ausgangslage Die meisten Messgeräte reagieren empfindlich auf gestörte Strömungsprofile Im Rohr bildet sich nur nach ausreichend langer gerader Rohrstrecke ein ideales Profil aus Ziel Verbesserung der Messung durch Vorhersage des Strömungsprofils am Messort Lösung Untersuchung praxisrelevanter Störungen: mit optischen Messverfahren mit numerischen Simulationen, Computational Fluid Dynamics (CFD)? Ideal Gestört Strömungsprofil 22

23 Inflow Ultraschall Ein-Pfad-Messung hinter einem Raumkrümmer Berechnung des Volumenstroms nach dem Prinzip eines Ultraschall-Einpfad-Messgeräts hinter einem Raumkrümmer Ultraschall Pfad Polynomial Chaos Untersuchung mit zwei Zufallsvariablen: Winkel und Position des Ultraschall-Messpfades Berechnung an 20 Positionen mit 20 Winkeln Ultraschall Pfad Winkel 0 bis 2π Ergebnis: Q_exakt: m³/h Erwartungswert: m³/h Erwartete Abweichung : % Standardabweichung: m³/h = 2.05% 23

24 Ultraschall Ein-Pfad-Messung hinter einem Raumkrümmer Verlauf des Erwarteten Fehlers über die Position Rot: Standardabweichung bei Variation des Winkels Blau: Maximale und minimale Abweichung vom Erwartungswert 24

25 7%-Segmentblende Rohrgeometrie 82,5 mm D = 82,5 mm (Rohrdurchmesser ) w vol = 2,5 m/s (Volumetrische Strömungsgeschwindigkeit) Q = 48,11 m³/h (Durchfluss) T = 20 C (Wassertemperatur) Re = (Reynoldszahl) Störkörper: 7% Segmentblende Stereo PIV-System 70 mm 80 mm Messebenen DIN-EN mm Ebene3 Ebene4 Ebene1 Ebene2 Abstand zur Blende: 1,5 D 13 D 25 D 50 D 0,12 m 1,12 m 2,12 m 4,12 m 25

26 Messergebnisse vs. RANS-Simulationen 1,5 D 13 D 25 D 50 D Messung w norm Simulation (k-ω-modell) (k-ԑ-modell) 26

27 Messergebnisse vs. DES u. RANS-Simulationen Ebene 2: 13 D hinter der Störung Simulationen Messung kω-modell DES-Modell 27

28 Messergebnisse vs. DES u. RANS-Simulationen Fehlerberechnung: w m w dx Messung - Simulation s Rohrquerschnitt DES D D 28