Untersuchung von Sprüngen im Rohrdurchmesser mittels laseroptischer Messungen und Simulationen

Transkript

1 Untersuchung von Sprüngen im Rohrdurchmesser mittels laseroptischer Messungen und Simulationen 9. Internationale EMATEM-Sommerschule Freitag, 20. September 2013 Dr. Thomas Eichler / Martin Straka (PTB FB 7.5)

2 Hintergrund Verschiedene Innendurchmesser von Rohren und Zählern Sprünge! Einfluss des vorliegenden Strömungsprofils auf die Messrichtigkeit des Zählers Validierung von Simulationen Ergebnisse (Simulationen) abweichend vom Messort

3 Messprinzipien SPIV LDV

4 Messaufbau

5 Optischer Zugang und Target

6 Kalibrierung Originalbilder entzerrte Bilder

7 Messungen

8 Messungen

9 Messungen

10 Messungen

11 Messungen

12 Messungen

13 Messungen

14 Messungen

15 Messungen

16 Zusammenfassung PIV eignet sich hervorragend für die Strömungsprofilmessungen in kleinen Nennweiten Deutlicher Einfluss auf das vorliegende Strömungsprofil nachweisbar Verringerung der Messabweichungen durch bessere optische Komponenten und höheren Anteil an Tracer-Partikeln möglich Vermeidung des Temperatureinflusses durch Modifizierung des optischen Zugangs möglich

17 Möglichkeiten der Computational Fluid Dynamics (CFD) Visualisierung des kompletten Strömungsvorganges mit allen Feldgrößen Voruntersuchung: An welcher Stelle wäre eine Messung interessant? Kopplung an Messungen Validierung durch PIV-Messergebnisse Messebene Störung 11.2 cm Strömungsrichtung

18 Vergleichbarkeit von Messung und Simulation Simulation stark abhängig von Diskretisierung und numerischem Verfahren Erfahrungen, iterativer Optimierungsprozess, Einbeziehung von Messergebnissen Idealisierte geometrische Verhältnisse in der Simulation Kein asymmetrisches Profil durch Versatz, Dichtungen, Unebenheiten in der Rohrgeometrie Genaues Vermessen der Innengeometrie sehr aufwendig und wenig sinnvoll Modellgleichung mit Grenzschicht und Turbulenz (Navier-Stokes-Gleichungen) Direkte numerische Simulation (DNS) und Large Eddy Simulation (LES) zu aufwendig Verwendung von RANS-Gleichungen mit statistischen Mittelwerten Empirische Turbulenzmodelle zur Schließung des Gleichungssystems Randbedingungen (Einlass, Auslass, Wand) Strömungsprofil vor der untersuchten Störung zum Teil ungewiss Simulation der nicht gemessenen Feldgrößen Wand hydraulisch glatt / rau (DN 15!), Welligkeit

19 Vorgehensweise bei der Simulation des Durchmessersprunges Rechengebiet: 10 D Einlauf + 50 D stromab des Durchmessersprunges Strömungsart: stationäre turbulente/laminare Strömung(stabiles Ablösegebiet) Parameter der Strömung(Temperatur, Durchfluss) Reynolds-gemittelte Navier-Stokes-Gleichungen(RANS) Bestimmung Turbulenzmodell Wärmeleitungsmodell, Gravitation Gitter Finite Volumen-Diskretisierung: Im Rohr strukturiertes O-grid Elementgröße und Grenzschichtauflösung Gitterunabhängige Lösung über Gitterstudie Versuchsaufbau Modellgleichung Randbedingungen Einlass: Was fließt in das Rechengebiet hinein? Auslass: Was fließt hinaus? Rohrwand, Symmetrie

20 Parameter der Strömung Temperaturen: 20 C und 50 C Durchflüsse in l/h: 6, 60, 600, 1200 Übergang turbulent/ laminar Re Qin l/h Tin C Probleme mit Temperatur -effekten

21 Reynolds-gemittelte Navier-Stokes-Gleichungen(RANS) Navier-Stokes-Gleichungen (5 nichtlineare Differentialgleichungen 2. Ordnung) Kontinuitätsgleichung, 3 Impulsgleichungen, Energiegleichung Lösung der NS-Gleichung für technische Strömungen Analytische Lösung nur in einfachen Fällen möglich Direkte Berechnung der Turbulenzen, beinhaltet alle Frequenzen Zeitaufwand numerisch enorm, da Diskretisierung in Raum und Zeit sehr genau sein muss, um die kleinskaligen turbulenten Schwankungsbewegungen auflösen zu können Rechenzeit Wochen bis Monate RANS-Gleichungen für technische Strömungen Reynoldszerlegung aller Erhaltungsgrößen u in Mittelwert U und Schwankungswert u Darstellung der meisten physikalischen Effekte noch möglich Beinhalten nur niedrige Frequenzen hohe Frequenzen durch Tu-Modelle Grobes Rechengitter ohne Auflösung der Turbulenz Rechenzeit Stunden bis Tage

22 Turbulenzmodellierung Genauigkeit der Lösung hängt von Turbulenz-Modell ab Kritisch ist Übergangsbereich zwischen laminar / turbulent Ort der Strömungsablösung Größe von Ablösegebieten Wirbelviskositätsmodelle Scheinviskosität statt turbulenter Schwankungstermen Turbulente Zähigkeit analog zur molekularen Viskosität k-epsilon mit Wandfunktion, k-omega, SST (Industriestandard) Laminares Modell ohne Turbulenz U = U + u

23 Validierung des Tu-Modells Validierung an nur einem Geschwindigkeitsprofil außerhalb des Ablösegebietes

24 Wärmeleitung Simulation von Temperaturschichtungseffekt bei niedrigem Durchfluss möglich Wärmetransport-Modell + Gravitation Relevant nur bei niedrigen Volumenströmen und großen Temperaturgradienten Messdaten und Experimente nötig, um Randbedingungen zu klären Im Labor teilweise isolierte Rohrleitungen, Fensterkammer, schwankende Raumtemperatur Physikalisch: Konvektion, Wärmeleitung, Strahlung Unbekannte Parameter im Modell (Wärmeverlustkoeffizienten etc.) Nichtbeachtung der Wärmeleitung (Vergleich bei 20 C)

25 Gitterstruktur FV-Diskretisierung der RANS-Gleichungen nur an Stützstellen im Rechengebiet Gitterqualität wichtig für Genauigkeit der Lösung, Konvergenzverhalten Dem Rohr angepasstes, schiefwinkeliges O-Netz Gitterverfeinerung in Richtung normal zur Wand (Grenzschichtauflösung) H- Netz O- Netz

26 Vereinfachung und Gitterstudie O-Netz Y-Netz(¼ O-Netz)

27 Randbedingungen Auslass Nullgradientenbedingung δu/δz = 0 für skalaren Feldgrößen Einlass Zuvor berechnetes voll ausgebildetes Profil mit Ansatzfunktionen für Turbulenzgrößen Strömungsrichtung z Symmetrie-Randbedingung Wandhaftbedingung(hydraulisch glatt, reibungsbehaftet)

28 Geometrie Gitter Modellierung Randbedingungen Pre-Processing Solver Lösen der Gleichungen Konvergenz Residuen Darstellung der Ergebnisse Vergleich mit Messergebnissen Post- Processing

29 Sprung von 12 mm auf 17,5 mm (1200 l/h, 20 C) AxialesProfil Strömung löst nach dem Sprung ab Totwassergebiet mit Wirbel bis z/d = 1..2 Danachstark spitzesprofilbisz/d = 15 Mittengeschwindigkeit stabil ab 40 D Radiale Komponente in der PIV- Messebene fast abgeklungen PIV-Messebene

30 Sprung von 12 mm auf 17,5 mm (1200 l/h, 20 C)

31 Sprung von 12 mm auf 17,5 mm (6 l/h, 20 C) Strömung löst nach dem Sprung ab Totwassergebiet mit Wirbel bis z/d = 2 Danachstark spitzesprofilbisz/d = 20 Mittengeschwindigkeit stabil ab ca. 20 D PIV-Messebene

32 Sprung von 18 mm auf 17,5 mm (1200 l/h, 50 C) Kleines Totwassergebiet mit Wirbel vor dem Sprung Ausbildung der Grenzschicht ca. 0,1 D nach dem Sprung Strömungsprofil bleib nach 0,5 D nahezu gleich Mittengeschwindigkeit stabil nach ca. 11 D In der PIV-Messebene sind Auswirkungen des Sprung nicht mehr zu sehen Ähnliche Resultate bei 6 l/h

33 Schlussfolgerungen Prinzipiell gute Vergleichbarkeit von PIV und CFD aufgrund hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung Zur Steigerung der Genauigkeit der CFD weitere Messungen nötig Validierung mit nur einem Geschwindigkeitsprofil nach ca. 6,5 D Messort näher am Durchmessersprung 2D-PIV-Messung, in der das Ablösegebiet und Anlegepunkt der Strömung sichtbar wird Messort des Zählers im Ablösegebiet sorgt für große Messabweichungen Messungen mit realen Zählern (US, Flügelrad) stehen noch aus