Numerische Untersuchung kavitierender Herschel Venturi-Rohre im Hinblick auf die Durchflussmessung von Flüssigkeiten

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1 Numerische Untersuchung kavitierender Herschel Venturi-Rohre im Hinblick auf die Durchflussmessung von Flüssigkeiten Sven Brinkhorst Dipl.-Ing. Sven Brinkhorst 1

2 Einführung Untersuchung initiiert durch PTB Fachbereich Flüssigkeiten Idee: hydraulisch kavitierende Düsen zur Generierung hochgradig genauer und konstanter Durchflüsse einsetzen Reproduzierbare Erzeugung wechselnder Durchflüsse Einsatz als Transfernormal in Wasserzählerprüfständen Derzeitige Kalibrierung von Wasserzählern findet nur unter statischen Bedingungen statt Dipl.-Ing. Sven Brinkhorst 2

3 Einführung Dipl.-Ing. Sven Brinkhorst 3

4 Zielsetzung Numerische Untersuchung unterschiedlicher Düsengeometrien bezüglich ihres Kavitationsverhaltens bei verschiedenen Druckverhältnissen paus/pein Zeitliche Analyse des Massenstroms in Abhängigkeit vom Druckverhältnis paus/pein Einfluss unterschiedlicher Kavitationsparameter auf den Massenstrom Aussagen über globale Betriebsgrenzen Dipl.-Ing. Sven Brinkhorst 4

5 Düsengeometrien ISO 9300 Venturi Düse: Herschel Venturi-Rohr: Dipl.-Ing. Sven Brinkhorst 5

6 Kavitationsmodell in StarCCM+ Lösung der vollen RANS-Gleichungen für instationäre, turbulente, inkompressible, kavitierende 2-Phasen Strömung in 3D Interface capturing mittels VoF-Methode Kavitationsmodell mit Blasenwachstum nach Rayleigh ( inertia controlled growth ) Turbulenz: Realizable K-ε Turbulenz Modell 20 C ; Keimdichte: /m 3 ; Keimradius: 5*10-6 m Dipl.-Ing. Sven Brinkhorst 6

7 Kavitationsmodell in StarCCM+ Zusätzliche Transportgleichung für den Volumenanteil α: α v t + α vu = Γ v Quellterm: 4πR 2 n 0 dr Γ v = πr 3 n 0 dt Blasenwachstum/-zerfall durch vereinfachte Rayleigh-Plesset Gl.: dr dt 2 = 2 3 p v p ρ l Dipl.-Ing. Sven Brinkhorst 7

8 Numerische Randbedingungen Alle gezeigten Ergebnisse von vollständigen 3D Simulationen Randbedingungen: Stagnation-Inlet: 4bar (Totaldruck, fest) Pressure-Outlet: variabel (paus/pein = ) Reibungsbehaftete Wände (no-slip) Totaler Dampfanteil: α total = α i,j,kv i,j,k V i,j,k Anzahl der Zellen: ISO 9300 Venturi-Düse: 3.25 Mio. Herschel Venturi-Rohr: 3.9 Mio. Dipl.-Ing. Sven Brinkhorst 8

9 Massenstrom: Herschel vs. ISO Dipl.-Ing. Sven Brinkhorst 9

10 Massenstrom: Herschel vs. ISO 0.001% 0.006% 0.048% Dipl.-Ing. Sven Brinkhorst 10

11 Cavitation Inception Point Dipl.-Ing. Sven Brinkhorst 11

12 Problem Description Experimental setup Mesh Numerical Investigationl Ergebnisse Ausblick Dipl.-Ing. Sven Brinkhorst 12

13 Problem Description Experimental setup Mesh Numerical Investigationl Ergebnisse Ausblick Zeitliche Analyse des Massenstroms: Herschel Venturi-Rohr Dipl.-Ing. Sven Brinkhorst 13

14 Herschel Venturi- Rohr: P2/P01 = 0.85 t = s σ = P 2 P v (T) P 1 P 2 = 7.1 Dipl.-Ing. Sven Brinkhorst 14

15 Herschel Venturi- Rohr: P2/P01 = 0.85 t = s σ = P 2 P v (T) P 1 P 2 = 7.1 Dipl.-Ing. Sven Brinkhorst 15

16 Herschel Venturi- Rohr: P2/P01 = 0.85 t = s σ = P 2 P v (T) P 1 P 2 = 7.1 Dipl.-Ing. Sven Brinkhorst 16

17 Herschel Venturi- Rohr: P2/P01 = 0.85 σ = P 2 P v (T) P 1 P 2 = 7.1 Dipl.-Ing. Sven Brinkhorst 17

18 Herschel Venturi- Rohr: P2/P01 = 0.85 t = s σ = P 2 P v (T) P 1 P 2 = 7.1 Dipl.-Ing. Sven Brinkhorst 18

19 Herschel Venturi- Rohr: P2/P01 = 0.85 t = s σ = P 2 P v (T) P 1 P 2 = 7.1 Dipl.-Ing. Sven Brinkhorst 19

20 Herschel Venturi-Rohr: P2/P01 = 0.85 t = s P2/P01 = 0.85; Frequenz = 56Hz Dipl.-Ing. Sven Brinkhorst 20

21 Vref = Vinlet ; Lcav = mittlere Länge des Kavitationsgebietes Dipl.-Ing. Sven Brinkhorst 21

22 Zusammenfassung Periodisches Verhalten korreliert gut mit experimentellen Ergebnissen Generierung hochgradig konstanter Durchflüsse: Geometrisch fixierter CIP Länge der Kavitationsblase mindestens doppelte Halslänge? Dipl.-Ing. Sven Brinkhorst 22

23 Ausblick Validierung der Simulationsergebnisse mittels Messungen bei der PTB Weitere Untersuchungen des Einflusses unterschiedlicher Parameter auf das Kavitationsverhalten und den Massenstrom Untersuchungen mit kompressiblen Fluidmodellen Dipl.-Ing. Sven Brinkhorst 23

24 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Dipl.-Ing. Sven Brinkhorst 24