Universität Karlsruhe Institut für Hydromechanik

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1 Universität Karlsruhe Institut für Hydromechanik Kaiserstr. 12 D Karlsruhe Tel.: +49 (0)721/ , Fax: +49 (0)721/ LABORVERSUCH LUFTFREISTRAHL Einleitung - Technische Bedeutung Ein Freistrahl ist ein Fluidstrom, der aus einer Öffnung austritt. Derartige Ausbreitungsvorgänge treten beispielsweise bei Abwassereinleitungen, Emissionen von Schornsteinabgasen und Belüftungsund Klimatisierungsvorgängen auf. Bild 1:Eine Schornsteinfahne ist ein typischer Freistrahl Pitotsonde ermöglicht die Messung der vertikalen Druckunterschiede zum Umgebungsdruck. Aufgabenstellung Die Druckunterschiede im Freistrahl sollen entlang der Strahlachse und normal zur Strahlachse in mindestens 5 Querprofilen gemessen werden. Die Messergebnisse sind in dimensionslosen Größe darzustellen. Die Randstromlinie ist zu ermitteln und der Volumenfluss, der Impulsfluss und der Energiefluss in Abhängigkeit vom Abstand zur Öffnung zu berechnen. Beobachtungen und Folgerungen Aus den Druckunterschieden lassen sich Geschwindigkeiten ermitteln. Werden diese dimensionslos aufgetragen ist deren Selbstähnlichkeit festzustellen. Anhand der ermittelten Diagramme lassen sich nun auch Geschwindigkeitsverteilungen von Freistrahlen mit anderen Durchmessern und Eintrittsgeschwindigkeiten prognostizieren. Des Weiteren lässt sich aus den gemessenen Profilen der Volumenfluss, der Impulsfluss und der Energiefluss in Abhängigkeit vom Strahlabstand berechnen. Bild 2: Auch ein Vulkan kann eine Quelle eines Freistrahls darstellen Ziel und Methodik Vor dem Bau von Einleitungsbauwerken, z.b. eines Schornsteins, soll die Schadstoffverteilung in der Fahne berechnet werden. Die Ermittlung dimensionsloser Kenngrößen erlaubt hierbei die Definition allgemeiner Strahleigenschaften, die auch auf andere Geometrien und Verhältnisse als diejenigen im Versuch angewandt werden können. Versuchsaufbau Die Versuchsanlage besteht aus einem Messtisch, in dessen Mitte eine Öffnung angebracht ist. Über ein Gebläse kann durch diese Öffnung in vertikaler Richtung ein Freistrahl erzeugt werden. Eine Bild 3:Ergebnisse können z.b. in Vorhersagemodellen implementiert werden (hier CORMIX) Weitere Informationen zum Thema Lehre Übungslabor Betreuer - Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Martin Detert, detert@ifh.uka.de

2 Linkliste o o o Lehre Übungslabor o o Literaturliste Fischer, H.B., List, E.J., Koh, R.C.Y., Imberger, J. and Brooks, N.H., 1979, Mixing in Inland and Coastal Waters", Academic Press, New York Jirka, G.H. and Harleman, D.R.F., 1979, Stability and Mixing of Vertical Plane Buoyant Jet in Confined Depth, J. of Fluid Mechanics, Vol. 94, pp Jirka, G.H., 1982, Turbulent Buoyant Jets in Shallow Fluid Layers, in Turbulent Jets and Plumes, Rodi, W. (Ed.), Pergamon Press Jirka, G.H., Doneker, R.L. and Hinton, S.W., 1996, User s Manual for CORMIX: A Hydrodynamic Mixing Zone Model and Decision Support System for Pollutant Discharges into Surface Waters, Tech. Rep., DeFrees Hydraulics Laboratory, Cornell University (also published by U.S. Environmental Protection Agency, Tech. Rep., Environmental Research Lab, Athens, Georgia) Jirka, G.H., 2004, "Integral Model for Turbulent Buoyant Jets in Unbounded Stratified Flows, Part 1: The Single Round Jet", Environmental Fluid Mechanics, Vol. 4, Bildergalerie Abbildung 1: Schematische Skizze eines Freistrahls (Quelle: Thttp://

3 Abbildung 2: Wasserfreistrahl, Abwassereinleitung ins Meer (Quelle C. Avanzini, MECC) Abbildung 3: Wasserfreistrahl, Abwassereinleitung ins Meer (Quelle C. Avanzini, MECC)

4 Abbildung 4: Wasserfreistrahl, Laborversuche. Durch die Zugabe von Partikeln ist das Einmischen des umgebenden Fluids (entrainment) klar zu erkennen. Abbildung 5: Ein instantanes Bild eines Freistrahls zeigt die turbulenten Eigenschaften eines Freistrahls

5 Abbildung 6: Ein instantaner Querschnitt durch einen Freistrahl zeigt die ungleichmäßige Fluidverteilung durch die turbulente Einmischung von Umgebungsfluid Abbildung 7: Werden instantane Einzelbilder zeitlich gemittelt ist eine klare Struktur eines Freistrahles zu erkennen.

6 Abbildung 8: Strahlausbreitung ist an Berandung behindert und ändert seine Charakteristika Abbildung 9: Auch die Strahlausbreitung in flachen Gewässern kann Instabilitäten hervorrufen, die die Durchmischung stark verändern

7 Abbildung 10: Auftriebsfahnen sind auch Strahlen, die jedoch, wie hier im Beispiel des Vulkans St. Helen, USA, nicht durch Impuls, jedoch durch Dichteunterschiede angetrieben werden. Abbildung 11: Dichteeffekte in Strahleinleitungen führen zu Auftriebsfahnen

8 Abbildung 12: Die Kombination von Auftriebs- und Impulsstrahlen kann hier analysiert werden. Abbildung 13: Einleitungen in Dichtegeschichtete Fluide können dazu führen, dass sich das eingeleitete Fluid im Umgebungsfluid einschichtet.

9 Abbildung 14: Eine Kombination aus einer Auftriebsstrahleinleitung in ein dichtegeschichtetes und mit einer Strömung beaufschlagten Fluides führt zu dieser Strahlausbreitung Abbildung 15: Mehrdüsige Einleitungsbauwerke intensivieren die Mischeigenschaften der Einleitung

10 Vorbereitung / Demonstration Messgerät zeitig (ca. 4h vor Versuchsbeginn) einschalten (Erwärmungs-Drift). Bei der Messung ständig darauf achten, dass keine störenden Einflüsse (Durchzug, Personen die schnell vorbeigehen, auf den Tisch sitzen,...) die Messungen beeinträchtigen. Bei der Messung der Querprofile sehr genau drauf achten, dass auch die Randstromlinie mit den Messpunkten erfasst werden kann. Am besten werden die Messergebnisse gleich skizziert. Geschwindigkeiten bis maximal 2 m/s können mit dem Hitzdraht-Anemometer aufgenommen werden. Kalibrierung Sommer 2005: (2,85 V) / (1 m/s)