iaf Institut fü angewandte Foschung Abschlussbeicht zum Pojekt: Entwicklung eines enegiespaenden Vefahens zum Hochenegiewassestahlen gefödet von de Deutschen Bundesstiftung Umwelt unte dem Az: 23757 Band I Hauptteil Vefasse: Padeep Naain, Institut fü Angewandte Foschung, Hochschule Esslingen, 73728 Esslingen Pof. D.-Ing. Ulich Gätne, Institut fü Angewandte Foschung, Hochschule Esslingen, 73728 Esslingen Thomas Pille, Pille Entgattechnik GmbH, 71254 Ditzingen Esslingen, Juni 2009
06/02 Pojektkennblatt de Deutschen Bundesstiftung Umwelt Az 23757 Refeat 21/2 Födesumme 59.916,00 Antagstitel Entwicklung eines Enegie spaenden Vefahens zum Hochenegiewassestahlen Stichwote Enegie, Wasse, Vefahen, Obeflächenbehandlung, Resonanz Laufzeit Pojektbeginn Pojektende Pojektphase(n) 24 Apil 2006 Janua 2009 Zwischenbeichte alle 6 Monate Kuzbeicht Bewilligungsempfänge Pille Entgattechnik GmbH Tel 07152/99770-0 Einsteinstaße 11 Fax 07152/99770-26 71254 Ditzingen Pojektleitung H. Thomas Pille Beabeite H. Padeep Naain Koopeationspatne IAF Institut fü Angewandte Foschung Modeling and Pototyping de Hochschule Esslingen, Kanalstaße 33, 73728 Esslingen Zielsetzung und Anlaß des Vohabens Zielsetzung des Pojektes ist die Entwicklung eines umweltfeundlichen Vefahens zu Beabeitung metallische Obeflächen mit Wassestahlen. Dieses wid mit eine hydaulischen Anlage ealisiet. Es wid mit gepulsten Wassestahlen geabeitet, womit eine Enegie- und Kostenespanis bezüglich de Hochduckpumpen zu ewaten ist. Es weden keine chemischen Zusatzstoffe vewendet und das abgetagene Mateial kann sotenein aus dem Stahlwasse heausgefiltet weden. Das Stahlwasse wid wiede vewendet; es entstehen geingee Wiedeaufbeeitungskosten. Aufgund de gesamten Kosteneduktion könnte diese umweltfeundliche Obeflächenbeabeitung eine beite Umsetzung in de Industie finden. Dastellung de Abeitsschitte und de angewandten Methoden Das Pojekt basiet auf Untesuchungen zu Ezeugung von hochenegetischen pulsieenden Wassestahlen. Diese können in seh kuze Zeit z.b. metallische Obeflächen aufauen. De Stahlzefall wid duch das Anbingen von Resonanzkammen an de Düse eeicht. De Wassestahl soll in seh kuze Zeit in goße Topfen zefallen deen Aufschlag Emüdungsescheinungen im Mateial de zu beabeitenden Obefläche ezeugen. In einem esten Pojekt wude ein Simulationsmodell estellt, welches die Fomgebung de Düse optimiete. In de 1. Phase des folgenden Pojekts, konnte die Ezeugung de Pulsation im Stahl im Gegensatz zu voheigen Ansätzen, mithilfe von achsensymmetischen Resonanzkammen ezeugt weden. Dahe geht Pojekt hinsichtlich de Ezeugung de Pulsation übe den Stand de Technik hinaus. Anhand de Simulationsegebnissen wuden este Vesuche mit Pototypen de Düsen duchgefüht, die einen deutlich höheen Abtag leisteten. Das Pojekt geht hinsichtlich de Ezeugung de Pulsation übe den Stand de Technik hinaus. Konventionelle Methoden vewenden zum Beispiel Blenden, um eine Pulsation im austetenden Stahl zu ezeugen. Deutsche Bundesstiftung Umwelt An de Bonau 2 49090 Osnabück Tel 0541/9633-0 Fax 0541/9633-190 http://www.dbu.de
Egebnisse und Diskussion Die Vesuchsdüsen bestehen aus meheen Teilen. Die Innenkontu de Düse wid aus einem 1,5mm dicken Stahlblech eodiet, welches zwischen zwei veschaubte Metallplatten eingespannt wid. Andes als bei einem otieenden Hestellungspozess (bohen, dehen) kann die Düse Hinteschnitte in de Innenkontu besitzen. Dieses emöglicht die Gestaltung de keisfömigen Resonanzkammen. Fü den Vesuch wude de Abtag von vie Düsen bei gleichem Abeitsduck (500ba) veglichen. Die Resonanzebene de Düsen lag othogonal zu Bewegungsichtung. Alle Düsen hatten den gleichen Düsenqueschnitt, wobei eine keine Resonanzkammen besaßen. Die vie Abtagsbahnen de Düsen zeigen unteschiedliche Stuktuen. Übe einen Gesamtweg von 150mm beginnt de Mateialabtag de Düse ohne Resonanzkammen bei ca. 140mm. Die Tiefe des Abtags ist so geing dass e nicht messba ist. Im Gegensatz dazu beginnt de Abtag von zwei de Düsen mit Resonanzkammen wesentlich fühe. Hie ist de Abtag nicht nu an de Obefläche sichtba, sonden die Tiefe ist auch messba. Die Vesuchseihe zeigt, dass übe die Ändeung de Düsengeometie ehebliche Ändeungen in de Abtagsleistung eeicht weden kann. Eine Gegenübestellung de jeweils aufgewendeten hydaulischen Leistung zu de damit vebundenen kinetischen Enegie zeigt das Einspapotential. Das effizientee Düsen Pototyp wude in einem weiteen Vesuch im Feien aufgebaut. Ziel dieses Vesuchs wa die optische Auswetung des Stahlzefalls mittels eine Hochgeschwindigkeitskamea aufzunehmen und anschliessend Auszuweten. Die Auswetung de Filme mit Auflösungen (Bildeate) bis zu 12500 po Sekunde haben keine bauchbae Egebnissen geliefet da die Vogänge in de Stömung de Düse unte Betiebsbedingungen mit diese Methode nicht vewetba waen. Duch eine Umskalieung wude ein gößees Modell estellt. Daduch velangsamen die physikalische Pozesse innehalb de Düse. Die Auswetung de Aufnahmen des vegösseten Modells zeigt eine gute Übeeinstimmung de Pulsationsfequenz im Wassestahl des Vesuchsmodells und im Simulationsmodell. Anhand diese Egebnisse konnten die Randbedingung fü die Stömungssimulation fü das paametisiete Modell unveändet übenommen weden. Das paametisiete Modell dient als Basis fü den folgenden Optimieungspozess. In de Optimieungssoftwae-Umgebung wuden Geometieezeugung, Stömungssimuation, Auslesen de Simulationsegebnisse sowie die Auswetung de Egebnisse zu einem Pozess veeint. Daduch konnte das vogegebene Ziel (Maximieung de Pulsations-Duckamplitude), duch Simulationen in eine vogegebenen Anzahl von Modellvaianten eeicht weden. Duch mehee Simulationsläufe konnten die Geometie-Paamete und Massenstöme fü unteschiedliche Betiebspunkte in einem Diagamm zusammengefasst weden. Dieses bildet die Basis fü die Auslegung von Düsenkammen fü bestimmte Anwendungen und Duckbeeiche. Öffentlichkeitsabeit und Päsentation Messeauftitt: pats2clean - Intenationale Leitmesse fü Reinigung in Poduktion und Instandhaltung, Messe Stuttgat, 28 30.10.2008 Patentieung de zwei-kamme Düse mit modulaem Aufbau Fazit Im Sinne de Nachhaltigkeit kann diese Technologie mit eine goßen Anwendungsbeite im Beeich de gesamten Obeflächenbeabeitung von Metallen eingesetzt weden und füht zu eine Veingeung des Wassevebauchs und zu eine Vemeidung von Abwasse und Schlamm. Duch die einfache Handhabung de Reststoffe kann diese Technologie den gesamten Aufbeeitungsaufwand de Reststoffe eduzieen. Anhand de gewonnenen Ekenntnisse wäe es möglich, Anwendungsgebiete, die bishe nu mit umweltbelastenden Vefahen beabeitet weden können, neu zu eschließen, z.b. die Entlackung von Obeflächen. Daaus egibt sich ein insgesamt hohe volkswitschaftliche Nutzen des Vefahens. Ziel des weitefühenden Pojektes ist außedem, eine vemaktbae Poduktpalette von Düsen und Beabeitungsmaschinen zu entwickeln, die duch konkuenzfähige Beabeitungszeiten eine beite Anwendung dieses umweltfeundlichen Beabeitungsvefahens emöglichen. Deutsche Bundesstiftung Umwelt An de Bonau 2 49090 Osnabück Tel 0541/9633-0 Fax 0541/9633-190 http://www.dbu.de
INHALTSVERZEICHNIS 1. Abbildungs- und Tabellenvezeichnis... 4 2. Begiffe und Definitionen... 6 3. Zusammenfassung... 8 4. Einleitung... 9 5. Hauptteil... 11 5.1. Stand de Technik... 11 5.1.1. Pojektaufbau... 13 5.1.2. Velauf des AiF Vogängepojekts bis zum Zeitpunkt 1. Janua 2006 in Stichwoten:... 14 5.1.3. Vegleich zu hekömmlichen Vefahen... 14 5.1.4. Zusatzstoffe... 15 5.1.5. Funktionspinzip Pille Entgatanlagen... 15 5.1.6. Fazit: Stand de Technik... 16 5.1.7. Umwelttechnische Aspekte: Bedeutung fü die Umwelt... 16 5.2. Theoetische Hintegünde... 17 5.3. Modellieung im Flachwassekanal... 25 5.4. Cad Simulationsmodell mit de Softwae SolidWoks... 28 5.5. Abtagsvesuch... 33 5.6. Hochgeschwindigkeitsaufnahmen... 38 5.7. Umskalietes Modell... 40 5.7.1. Geometie des Modells... 40 5.7.2. Bescheibung des Resonato-Systems... 42 5.8. Modellvesuch: Aufbau eines Labview Modells... 47 5.9. Photogaphische Auswetung des Vesuchs... 53 5.10. Modellieung mit ICEMCFD... 57 5.11. CFD Simulation mit ANSYS CFX... 61 5.12. Auswetung de Egebnisse... 63 5.13. Optimieung mit modefontie... 65 5.14. Konstuktion... 72 5.14.1. Entgatanlagen... 72 5.14.2. Reinigungsanlage... 75 6. Fazit... 77 7. Liteatuvezeichnis... 78
1. Abbildungs- und Tabellenvezeichnis 4 1. Abbildungs- und Tabellenvezeichnis Abbildungen Abbildung 3-1: Zefall eines Flüssigkeitsstahls... 11 Abbildung 3-2: Duckwellen-Ausbeiten... 12 Abbildung 3-3: Wöhlekuve eines Wekstoffes, emittelt duch Topfenschlag und mechanische Lastwechsel... 12 Abbildung 3-4: Beeinflussung de Stahlstuktu duch Lasestahl nach Mazukiewicz (1983)... 13 Abbildung 3-5: Ultaschallmodulato nach Puchala und Vijay (1984)... 13 Abbildung 3-6: Viskosität fü Newtonsche Flüssigkeiten... 17 Abbildung 3-7: Resonanzkammen am Düsenmodell... 25 Abbildung 3-8: Resonanzkammen am Modell... 26 Abbildung 3-9: CAD-Halbmodell de Düse... 28 Abbildung 3-10: Duckvelauf in de tansienten Simulation... 28 Abbildung 3-11: SolidWoks-Modell de Düse mit zwei Kammen... 29 Abbildung 3-12: Venetztes Modell de 2D-Düse... 31 Abbildung 3-13: Mehteilige Düse... 33 Abbildung 3-14: Pulsieende Stahl... 33 Abbildung 3-15: Düsenvaianten I, II, III... 34 Abbildung 3-16: Vesuchsaufbau... 34 Abbildung 3-17: Püfobjekt... 35 Abbildung 3-18: Auswetung... 35 Abbildung 3-19: Abtagkontu, Düse II... 36 Abbildung 3-20: Abtagsvolumen, Düse III... 36 Abbildung 3-21:Wassestahl-Austitt bei 100 ba Duck...38 Abbildung 3-22: Kontastbild -Stahlaustitt... 38 Abbildung 3-23: Stahlausbeitung... 38 Abbildung 3-24: Stahlzefall... 39 Abbildung 3-25: Stahl - Stuktu... 39 Abbildung 3-26: Düsenmaße... 41 Abbildung 3-27: Messstellen in de Düse... 41 Abbildung 3-28: Düsenmodell aus Aluminium... 42 Abbildung 3-29: Chaakteistische Längen... 43 Abbildung 3-30: Eingebaute Düse mit Plexiglas-Deckel...47 Abbildung 3-31: Messstellen am Modell... 48 Abbildung 3-32: Duckanschlüsse... 48 Abbildung 3-33: Duckmessstellen... 51 Abbildung 3-34: Stahlzefall... 53 Abbildung 3-35: Auflösung des Stahls... 54 Abbildung 3-36: Bildbeabeitung... 54 Abbildung 3-37: Abstand zwischen Wassepakete... 55 Abbildung 3-38: Uspung des Koodinatensystems... 57 Abbildung 3-39: Linien und Kuven des Modells... 57 Abbildung 3-40: Das Blocking... 58 Abbildung 3-41: O-Gid... 58 Abbildung 3-42: Venetzung ohne O-gid... 59 Abbildung 3-43: Blocking und Venetzung mit O-gid...59 Abbildung 3-44: Das fetige Netz... 60 Abbildung 3-45: Extudietes Netz... 60 Abbildung 3-46: Kammegeometie in Abhängigkeit von Paamete R... 66 Abbildung 3-47: Eingangsvaiabeln in mf... 67 Abbildung 3-48: Schedule und DOS-Knoten... 68 Abbildung 3-49: FFT und Zielgöße... 69
1. Abbildungs- und Tabellenvezeichnis 5 Abbildung 3-50: Entgatanlage Vecto II... 73 Abbildung 3-51: Entgatanlage VectoJet III... 74 Abbildung 3-52: Behältestation de Reinigungsanlage... 75 Abbildung 3-53: Abeitseinheit de Reinigungsanlage... 75 Abbildung 3-54: Vakuumtockne mit Wäschekob...76 Tabellen Tabelle 3-1: Chaakteistische Gößen... 21 Tabelle 3-2: Nomiete Flächenabtag... 36 Tabelle 3-3: Wellenlänge fü unteschiedliche Längen... 43 Tabelle 3-4: Fequenzen... 44 Tabelle 3-5: Vegleich Simulation und Vesuch... 56 Tabelle 3-6: Definition von Wasse als Medium... 61 Tabelle 3-7: Fluid- und Tubulenz-Modell... 62 Tabelle 3-8: Randbedingungen und Solve Einstellungen... 62
2. Begiffe und Definitionen 6 2. Begiffe und Definitionen Lateinische Buchstaben a A b D D hy E Fl f F h l m p p Q R R hy t T u V Beschleunigung Fläche Beite Duchmesse hydaulische Duchmesse Kompessionsmodul Fequenz Kaft, allgemein Höhe Länge Masse Duck, allgemein Duckdiffeenz Volumenstom Radius hydaulische Radius Zeit Tempeatu Stömungsgeschwindigkeit Volumen Giechische Buchstaben αd β η ν ξ ρ Duchflusskoeffizient Kompessibilitäts-Koeffizient dynamische Viskosität kinematische Viskosität Reibungsvelustbeiwet Dichte Abküzungen CAD CFD cfx FDM FEM FFT FVM icem Ma mf MF MID Re S Vo compute aided design computational fluid dynamics ANSYS CFX Finite Diffeence Method Finite Element Method Fast (schnelle) Fouie Tansfomation Finite Volume Method ANSYS ICEMCFD Machzahl modefrontier ModeFontie magnetisch-induktive Duchflussmesse Reynoldszahl Stouhalzahl Voschub
2. Begiffe und Definitionen 7 Indizes Anf dyn Ende hyd stat H 2 O O M max min Anfangsgeschwindigkeit dynamisch Endgeschwindigkeit hydaulisch statisch Wasse Oiginal Modell Maximum Minimum
3. Zusammenfassung 8 3. Zusammenfassung Das Pojekt Entwicklung eines Enegie spaenden Vefahens zum Hochenegiewassestahlen (DBU AZ. 23757) wude in zwei Phasen übe einen Gesamtzeitaum von Apil 2006 bis Janua 2009 duchgefüht. Es wude eine Düse entwickelt, die duch die Ezeugung von hochenegetischen, pulsieenden Wassestahlen einen höheen Wikungsgad als hekömmliche Düsen aufweist. Im Rahmen dieses Pojektes wid eine theoetische und expeimentelle Machbakeitsstudie zu Ezeugung hochenegetische, pulsieende Wassestahlen duchgefüht. Diese Wassestahlen dienen zu Aufauung und Beabeitung metallische Obeflächen in extem kuze Zeit. Die Pulsation im Stahl wid duch Resonanzkammen im engsten Queschnitt ezeugt. Ziel des Pojekts wa die Festlegung von Geometiepaameten zu Anpassung de Düse an unteschiedliche Abeitsbedingungen. Die Oszillation im Stahl wid übe den Betiebsduck und die Düsengeometie so gesteiget, dass de Flüssigkeitsstahl am Düsenaustitt stak beschleunigt und duch Kavitation in Segmente zelegt wid. Die aus Simulationen emittelten Geometien mit optimale Stahlbeeinflussung wuden in Vesuchen nähe untesucht. Seitlich an de Austittsbohung angeodnete Kammen wiken als Resonatoen, zwischen denen eine Duckwelle pendelt. Die Duckschwankungen in den Kammen fühen zu eine Pulsation des Ducks am Austitt, die mit eine seitlichen Stahlschwankung vebunden ist. Die Flüssigkeitsabschnitte, die die Düse velassen, zefallen schnell zu Topfen, die dann auf die zu beabeitende Obefläche teffen. Die Voteile des Vefahens gegenübe dem Stand de Technik sind duch umweltschutztechnische Mekmale wie das Vemeiden von Zusatzstoffen im Wasse sowie enegiespaende Mekmale wie einen höheen Wikungsgad de Anlagen gegeben. Aufgund de Egebnisse des Vogängepojekts konnte ein Simulationsmodell estellt weden. Dieses konnte als Ausgangsmodell fü die Paametisieung vewendet weden. Die paametisiete Geometie des Modells wude mit de Softwae ANSYS ICEMCFD estellt und die CFD Beechnung mit dem Softwae - Paket ANSYS CFX duchgefüht. Aufgund de hohen Simulationsdaue (bis zu 15 Stunden) wuden die Simulationen auf einen dafü fest zugeodneten Dual coe Wokstations (Rechne) im Institut fü Angewandte Foschung duchgefüht. Beide Softwae Pakete (ICEM CFD und CFX) wuden in einem ditten Schitt in de Softwae - Umgebung modefrontier gekoppelt. Hie wuden die Paamete fü die Geometieändeungen sowie die Zielgößen festgelegt. Die Simulationsschleifen wuden von modefrontier gesteuet und kontinuielich duchgefüht, bis die vodefinieten Zielgößen (das Optimum) mittels statistisch-mathematische Algoithmen von modefrontier beechnet und eeicht wude. Damit konnten die Geometiepaamete von Düsen fü unteschiedliche Betiebspunkte festgelegt weden. Neben dem Einsatz in de Anlagenseie VectoJet weden die Düsen in eine neu-entwickelten Anlagenseie zu Reinigung von Bauteilen im Niededuckbeeich eingesetzt. Diese Anlagen sind fü die Reinigung von Getiebegehäuse bestimmt und weden mit Abeitsdücken von ca. 7 ba betieben. Weitee Ändeungen de Technologie fü eine Eweiteung de Anwendungsbeite sind vogesehen.
4. Einleitung 9 4. Einleitung Das Pojekt basiet auf Voabeiten des Vogängepojekts wobei Untesuchungen am Flachwassekanal gezeigt haben dass Instabilitäten im Stahl am Austitt eine Düse duch Resonanzkammen ezeugt weden können. Vesuche weden am Flachwassekanal mit meheen Kamme-Paaen in de Düse duchgefüht. Daaus kann Abhangigkeit de Pulsationsfequenz zu Kammegeometien sichtba gemacht weden. Duch die Ähnlichkeitsmechanik können Modelle nach veschiedenen Vehältnissen hoch- ode heunteskaliet ween. Die beobachtete Pulsation im Flachwassekanal kann duch eine Umskalieung auf einen Pototyp de Düse unte Betiebsbedingungen in eine Entgatanlage entspechend wiedegegeben weden. Die Effizienz eine solchen Düse kann in einem Abtagsvesuch gepüft weden. Este Abtagsvesuche anhand eines Düsenpototyps haben diesen Einfluss qualitativ bestätigt. Die Pulsationsezeugung selbst kann kaum beschieben weden da die Vogange unte eellen Bedingungen (Abeitsduck ca. 100 ba, Austittsgeschwindigkeit ca. 200 m/s) messtechnisch seh schwe auffassba sind. Im Rahmen dieses aufbauendes Pojektes soll eine theoetische und expeimentelle Machbakeitsstudie zu Ezeugung hochenegetische, pulsieende Wassestahlen duchgefüht weden. Diese Wassestahlen dienen zu Aufauhung und Beabeitung metallische Obeflächen in extem kuze Zeit. Diese Machbakeitsstudie soll die notwendigen Infomationen zu Auslegung de Kammegeometien unte Betiebsbedingungen liefen. Die Pulsation wid im Gegensatz zu existieenden Vefahen duch Resonanzkammen im Volauf de Düse ezeugt. Die Pulsation im Stahl wid übe den Betiebsduck und die Düsengeometie so gesteiget, dass de Flüssigkeitsstahl am Düsenaustitt stak beschleunigt und duch Kavitation in Segmente zelegt wid. Die Flüssigkeitsabschnitte, die die Düse dann velassen, zefallen schnell zu Topfen, die auf die zu beabeitende Obefläche teffen. Außedem wid duch die Fokussieung de Duckwelle in de Düse dot ein seh hohe lokale Duck aufgebaut, de den Anlagenduck bei weitem übescheitet. Dies füht zu einem eheblich höheen Maximalimpuls, de mit dem austetenden Flüssigkeitsstahl eeicht weden kann. Somit ist neben eine gößeen Reichweite auch eine höhee Stahlenegie zu ewaten, die die Anwendungsmöglichkeiten des Vefahens im Vegleich zum Stand de Technik eheblich steigen. Weitee Voteile des Vefahens gegenübe dem Stand de Technik sind duch folgende Mekmale gegeben: Umwetltechnische Aspekte Aus umwelttechnische Sicht soll ein umweltfeundliches Vefahen entwickelt weden, in dem eines Wasse zum Entgaten von metallischen Bauteilen eingesetzt wid. Hekömmliche Vefahen vewenden Zusatzstoffe wie Sand, um die Abtagsleistung zu ehöhen. Daduch entstehen mehee Stoffe im Abwasse, die oft mit seh hohem technischem Aufwand getennt weden müssen. Weden keine Zusatzstoffe zu Entgatung vewendet, so müssen die Anlagen mit seh hohem Duck betieben weden, was wiedeum mit hohe Pumpenleistung und Enegievebauch vebunden ist. Die neu entwickelte Düse soll mit Hilfe von meheen Resonanzkammen den austetenden Wassestahl zum Pulsieen bingen. Die Pulsationseegung mit Resonanzkammen basiet auf Untesuchungen am Flachwassekanal, die in eine fühen Pojekt - Phase duchgefüht wuden. Die Pulsation im Stahl füht zum Topfenschlag-Effekt beim Zefall, und kann eine schnellee Mateialemüdung am Wekstück, z.b. beim Entgatvefahen, fühen. Ziel de Düsenentwicklung ist die Optimieung de Düsengeometie (die Anodnung de Kammen zueinande), um eine gezielte Pulsation im Stahl zu eeichen. Damit kann die Düse fü bestimmte Einsätze bei optimietem Enegievebauch vewendet weden. Um dieses Vohaben zu ealisieen, wid in einem esten Schitt die paametisiete Düsengeometie mit dem Softwae-Tool ANSYS ICEM CFD estellt. Die Geometie wid mit demselben Tool venetzt mit anschließende Übepüfung de Netzqualität. Fü die Stömungssimulation im zweiten Schitt
4. Einleitung 10 wid die ebenfalls von ANSYS entwickelte CFD Softwae ANSYS CFX vewendet. Diese Softwae emöglicht die Definition des Fluids Wasse als kompessibles Medium. Beide Softwae Pakete (ICEM CFD und CFX) weden in einem ditten Schitt mit modefrontier gekoppelt. Hie weden die Paamete fü die Geometieändeungen sowie die Zielgößen festgelegt. Die Simulationsschleifen weden fotan von modefrontier gesteuet und kontinuielich duchgefüht, bis die vodefinieten Zielgößen eeicht sind. Diese Zielgöße ist das Duckamplituden Maximum welches modefontie duch Geometieändeungen eeicht. Ein wesentliche Zwischenschitt ist die Umechnung des zeitlichen Duckvelaufs in den Fequenzbeeich mittels eine Fouie Fast Tansfomation. In den esten Simulationen wuden die Umechnung mit einem Excel Mako mit de Excel Fouieanalyse Add-In manuell duchgefüht. Anschliessend wude fü modefontie ein Matlab Pogamm geschieben da es keinelei detailliete Infomationen übe den Syntax innehalb de modefontie Umgebung gab. Est am Ende diese Abeit wude die Fage de Einbauung eines modefontie-eigenes FFT im Modell geklät. Damit konnte de gesamte Optimieungspozess mit ICEM CFD, ANSYS CFX und modefontie duchgefüht weden.
5. Hauptteil 11 5. Hauptteil 5.1. Stand de Technik Pojektziel ist die Entwicklung eines enegiespaenden Vefahens zu Beabeitung metallische Obeflächen mit Hilfe von Wassestahlen. Diese können in seh kuze Zeit z.b. metallische Obeflächen aufauhen. De Entwicklungsansatz lässt sich anhand des Zefallsvoganges eines Flüssigkeitsstahles in gasfömige Umgebung ekläen (Abbildung 5-1). Abbildung 5-1: Zefall eines Flüssigkeitsstahls De aus de Düse austetende Stahl beginnt duch Reibung an de gasfömigen Umgebung an de Obefläche in Topfen zu zefallen. Duch den fotscheitenden Zefall wid de Stahl allmählich vollständig abgebaut. Tifft de StahI wähend des Zefalles auf eine Obefläche, zeigt sich, dass die im Außenbeeich entstandenen Topfen bei gleiche Geschwindigkeit eine gößee mechanische Belastung fü die Obefläche bewiken als de noch vohandene Kenstahl. Die Topfen teffen die Metallobefläche wie Geschosse und ezeugen Schockwellen im Mateial. Diese Schockwellen im Mateial weden duch Duckwellen in den Topfen ausgelöst. Dieses Pinzip dient als Basis fü das Entgatungsvefahen. Das Entgaten spanend beabeitete sowie im Feinguss hegestellte Teile duch Hochduckwassestahlen ist inzwischen ein etablietes Beabeitungsvefahen. De mechanische Aufbau eine dazu benötigten Hochduckwassestahlanlage ist im Pinzip echt einfach. Eine Hochduckpumpe födet Wasse, das in Feinstfilten geeinigt wid, mit einem Duck von bis zu ca. 100 MPa duch Düsen mit typischen Öffnungsduchmessen von ca. 1 mm. Die aus diesen Düsen austetenden Wassestahlen eeichen Geschwindigkeiten von einigen hundet Meten po Sekunde. De Obeflächenabtag ist dann besondees goß, wenn de aufteffende Stahl in einzelne Topfen zefällt. Es lässt sich leicht abschätzen, dass bei den Stömungsgeschwindigkeiten, die in den Düsen aufteten, und eine Schallgeschwindigkeit, die je nach themodynamischem Zustand des Wasses übe 1500 m/s betagen kann, am Aufteffpunkt eines Topfens ehebliche Duckspitzen aufteten. Die Ausbeitung diese Wellen sind in (Abbildung 5-2) dagestellt. Diese Duckspitzen fühen zu eine lokalen Übebeanspuchung des Wekstoffes. Die im Wekstoff ezeugten Schockwellen fühen nach seh kuze Zeit zum ötlich begenzten Emüdungsbuch.
5. Hauptteil 12 Abbildung 5-2: Duckwellen-Ausbeiten Die Emüdung duch Topfenschlag kann mit den Messungen aus konventionellen Emüdungsvesuchen veglichen weden, wie in Abbildung 5-3 gezeigt wid [PM84]. Abbildung 5-3: Wöhlekuve eines Wekstoffes, emittelt duch Topfenschlag und mechanische Lastwechsel Duch die Einwikdaue de Wassestahlen kann de Umfang de Obeflächenbeabeitung beeinflusst weden. Im Zentum de Kontaktfläche ist de Duck am gößten; dot beginnt de Wekstoff bei hineichend hohen Dücken soga zu fließen. Die zuzeit gängigen Vefahen zu Beabeitung von Obeflächen mit Hilfe von Hochduckwassestahlen beuhen hauptsächlich auf dem selbsttätigen Zefallen des Stahles in Topfen. Veschiedene Methoden eine ezwungenen Zelegung wuden in de Vegangenheit epobt und zum Teil auch patentiet, so die Zelegung mit Hilfe von lokalen Vedampfungen duch Lasestahlen [DK03] (Abbildung 5-4) ode duch die Duchmischung mit Luft [PM84].
5. Hauptteil 13 Abbildung 5-4: Beeinflussung de Stahlstuktu duch Lasestahl nach Mazukiewicz (1983) Ein weitees veöffentlichtes Vefahen ist die lokale Beschleunigung des Wassestahles mit Ultaschall [PM84] (Abbildung 5-5). Abbildung 5-5: Ultaschallmodulato nach Puchala und Vijay (1984) Hochduckwassestahlen weden in de industiellen Anwendung hauptsächlich zu Entgatung von Fästeilen und zu Reinigung von Gussteilen vewendet. Die üblichen Dücke liegen im Beeich von 500 bis 1500 ba, wobei das Duckniveau duch die Beabeitungsabstände und die Wekstoffeigenschaften vogegeben ist. Flächige Beabeitungen sind in de Seienpoduktion noch nicht üblich, da die efodelichen Dücke eine witschaftliche Vefahenstechnik nu in Ausnahmefällen zulassen. 5.1.1. Pojektaufbau Im Rahmen eines von de Abeitsgemeinschaft industielle Foschungsveeinigungen (AiF) gefödeten Vopojekts wude eine theoetische und expeimentelle Machbakeitsstudie zu Ezeugung hochenegetische, pulsieende Wassestahlen duchgefüht. Die Pulsation sollte im Gegensatz zu existieenden Vefahen duch eine chemische Reaktion (Vebennung von Knallgas o. ä.) ode mit einem mechanischen System im Volauf de Düse ezeugt weden.
5. Hauptteil 14 5.1.2. Velauf des AiF Vogängepojekts bis zum Zeitpunkt 1. Janua 2006 in Stichwoten: Enegiebilanzen: Geometiefestlegung: Modellieung: Konstuktion: Epobung: Theoetische Ausfühung des zu entwickelnden Vefahens. Estellung von Enegiebilanzen fü die Duckwellenezeugung. Ausgehend von de Enegiebetachtung wuden von beiden Patnen gemeinsam die este voläufige Geometie de Düse und das Vefahen zu Duckezeugung festgelegt. Aus den Düsenmaßen wuden die Hauptenegieumsätze de Stömung und damit die Anfodeungen an die hydaulische Peipheie definiet. Die instationäe Modellieung de Stömungsvehältnisse im Volauf de Düse wude mit Hilfe de Simulationswekzeuge des IAF detailliet duchgefüht. Themenschwepunkt wa die Fokussieung de entstehenden Duckwellen im Beeich de Düsenöffnung, um eine hohe Beschleunigung de Stömung zu eeichen. Paallel zu den Beechnungen wude auch de este Vesuch an einem einfachen Funktionsmuste duchgefüht. Die Egebnisse de Modellieung wuden in eine este Konstuktion fü eine Vesuchsdüse umgesetzt. De Hauptanteil de Konstuktionsabeit wude von de Fima Pille übenommen. In diese Zeit wude im IAF das Simulationsmodell weiteentwickelt. Die Epobung des esten Funktionsmustes diente de Übepüfung de Enegiebilanzen und dem Nachweis de Duckwellenezeugung. Anhand de Egebnisse wuden detailliete Untesuchungen zu Optimieung de Düsenzustömung duchgefüht. Wähend de Beechnungsphase wuden die Gundlagenuntesuchungen zu Ezeugung de Duckwellen mit Hilfe eine Gasexplosion und eines Pendelschlagweks duchgefüht. Ausgehend davon wuden weitee Messungen duchgefüht, um die maximale Austittsgeschwindigkeit des Wassestahles zu ehöhen und die Pulsation in eine vogesehenen Fequenz zu ezeugen. Die Untesuchungen zu Optimieung egaben veschiedene neue Geometievaianten fü die Düse. In de Optimieungsphase wuden die Düsenfom und ih Einfluss auf den Gesamtwikungsgad und die maximale Austittsgeschwindigkeit untesucht. Die Düsenfom mit Eintitt wude damit festgelegt. Die mit diesen Düsen duchgefühten Epobungen egaben, dass die festköpemechanische Ezeugung von Duckwellen stak veschleißbehaftet ist und somit nicht fü eine Seienanwendung in de Poduktion geeignet ist. 5.1.3. Vegleich zu hekömmlichen Vefahen Duch den Einsatz von Hochenegiewassestahlen können Bauteile entgatet weden, die sonst nu mit Hilfe von elektochemischen Entgatvefahen (Electo Chemical Machining, ECM) beabeitet weden. In diesem ECM-Vefahen wikt das Bauteil als Anode und das Wekzeug als Kathode. De Spalt (0,05mm bis 0,2mm) zwischen dem Wekzeug und dem Bauteil wid von einem Elektolyten duchstömt. Die Elektolyte bestehen aus anoganischen Säuen ode Natiumnitat- bzw. Natiumchloid-Lösungen. Fü die Aufbeeitung von ECM-Abwasse muss dahe zuest eine Entgiftung duchgefüht weden, insbesondee auch, da viele Stahl-Legieungen Chom enthalten. In einem weiteen Schitt müssen die Schwemetalle getennt weden, die nach de Tennung in de Regel als Schlamm ausfallen. Diese Schlamm muss anschließend in de Fima gesondet gelaget weden. Es besteht keine Möglichkeit, das entgatete Metall diekt zuück zu gewinnen. Im Gegensatz zum ECM weden in Hochenegiewassestahlanlagen keine chemischen Stoffe vewendet. Es wid ausschließlich mit einem Wasse geabeitet. Die Wassekeisläufe in den Anlagen sind in sich geschlossen und das Wasse wid im geschlossenen Keislauf ständig gefiltet. Das Filtat wid zu einem Block zusammengepesst, de aufgund des vewendeten einen Wasses sotenein anfällt. Daduch ist de Wekstoff ohne weitee Aufbeeitung ecycleba. Das Wasse in de Anlage wid kontinuielich filtiet und kann im geschlossenen Wassekeislauf weite vewendet weden. Wid die Anlage fü die Beabeitung eines andeen Wekstoffes umgeüstet, so müssen lediglich die Metalleste im Filte entfent weden: das Wasse im Keislauf kann weitevewendet weden. Muss das Wasse in de Anlage ausgewechselt weden, so kann es poblemlos entsogt weden.
5. Hauptteil 15 5.1.4. Zusatzstoffe In hekömmlichen Entgatanlagen (Wasseabasiventgaten) wid dem Wasse ein Zusatz beigefügt, um den Abtag zu ehöhen. Diese Zusatzstoffe eichen von Glaskugeln übe Keamik und Kound bis hin zu künstlichen Abasivmitteln. In diesem Vefahen wid das Wasse benutzt, um die Feststoffpatikel zu beschleunigen, die zu eine Mikozespanung an de Wekstückobefläche fühen. Die Kongößen de Patikel liegen im Beeich von 0,1mm bis 0,3mm. Damit befinden sich Patikel unteschiedliche Göße und chemische Zusammensetzung im Abwasse, welches die Reinigung des Abwasses zusätzlich eschwet. Die abgetagenen Metallspäne liegen in de Gößenodnung von wenigen Mikometen bis in den Millimetebeeich. Damit befinden sich mindestens zwei unteschiedliche Stoffe mit stak schwankendem Duchmesse im Abwasse, die heausfiltiet weden müssen. Dies bedeutet, dass eine weitee Tennung de Stoffe in meheen vefahenstechnischen Schitten duchgefüht weden muss, bevo das Abwasse entsogt weden kann. Die Metallpatikel müssen vom Stahlmittel getennt weden, um vewetet weden zu können. Das vebauchte Stahlmittel bzw. de Stahlsand wid in Fom von Schlamm in industiellem Abwasse gesammelt und vom Wasse getennt. Beide Abeitsschitte sind wiedeum mit einem zusätzlichen Vebauch von Fischwasse vebunden. Beim Einsatz von pulsieenden Wassestahlen entfallen die gesamten Wasse-Aufbeeitungspozesse, die mit de hekömmlichen Technologie vebunden sind. Das Abfallpodukt fällt sotenein an und kann gesammelt weden. Es weden keine Zusatzstoffe benötigt und de Gesamtwassevebauch de Anlage kann eduziet weden. Die duch die Vewendung von Stahlsand veusachte Menge von Schlamm in industiellem Abwasse kann deutlich eduziet weden. 5.1.5. Funktionspinzip Pille Entgatanlagen Eine typische Entgatanlage de Fima Pille hat einen 1000 Lite Wassetank. De Duck fü den Wassestahl wid übe eine Hochduckpumpe aufgebaut und duch eine Düse in die Abeitskamme geleitet, wo die Beabeitung de Wekstücke stattfindet. Das Stahlwasse aus de Abeitskamme wid in einem Behälte gesammelt und übe eine Födepumpe duch die Filtationsanlage zuück in den Wassetank gepumpt. Die Födepumpe fü den Filte ist nicht kontinuielich im Einsatz, sonden ichtet sich nach de Wassemenge im Tank. De Wassevebauch eine existieenden Anlage ist von veschiedenen Faktoen abhängig. Wid ein hohe Saubekeitsgad des Wekstücks velangt, so muss eine hohe Wassequalität vohanden sein. Dieses wid übe entspechende Filte eeicht. Die Födepumpen de Filtekeisläufe haben einen Duchsatz von 120 l/min bis 180 l/min und weden übe den Volumenstom und den Diffeenzduck vo und nach dem Filte übewacht, so dass eine hohe Pozesssicheheit gewähleistet ist. Fü das Entgaten weden in hekömmlichen Anlagen Dücke bis 1500ba eeicht. Diese sind notwendig, um ein gutes Abtagsegebnis zu eeichen. Duch wechselnden Auf- und Abbau des Ducks im Wasse vedampfen ca. 5% de Wassemenge, die mit Fischwasse nachgefüllt weden müssen. Bei de täglichen duchschnittlichen Betiebszeit von 6 Stunden entspicht dies 50 Lite po Tag. Weden pulsieende Wassestahlen eingesetzt, so eduziet sich de Wassevelust aufgund de Zeitespanis auf 3,3 Lite po Tag. Fü den Betieb de Anlage mit pulsieenden Wassestahlen kann de Abeitsduck fü die Düse eduziet weden. Daduch wid wenige Wasse duch die Vedampfung veloen. De Wassevebauch eine Entgatanlage hängt von folgenden Faktoen ab: Wekstoff: Das Vehalten de Metallgate ist vom Wekstoff abhängig. Wid z.b. eine Gusslegieung beabeitet, so wid bei gleichem Abeitsduck ein gößee Volumenstom benötigt als bei de Beabeitung von Aluminium. Bauteil: Ein andee entscheidende Fakto fü den Wassevebauch ist das Bauteil selbst. Bei Gussteilen, die im Feingussvefahen hegestellt sind, muss das Entfenen von Resten von Gusssand (indem das Wachsmodell eingebettet wid) im Abeitsablauf beücksichtigt weden. In diesem Fall wid das Bauteil nach de Beabeitung untesucht und wenn nötig nochmals entgatet. Geometie: Die Komplexität de Bauteilgeometie ist ein weitee Fakto, de den Wassevebauch beeinflusst. In de Regel benötigt ein komplexes Bauteil meh Wasse um entgatet zu weden, da
5. Hauptteil 16 wähend de Beabeitung zwischen veschiedenen Beabeitungsgeschwindigkeiten und -dücken gewechselt weden muss. Das Entgaten von gleichen Bauteilen kann von Teil zu Teil aufgund unteschiedliche Gatgeometien unteschiedlich sein. Dieses füht dazu, dass die Filteanlage, die kontinuielich übewacht wid, in unegelmäßigen Abständen geeinigt weden muss, um eine gute Wassequalität zu gewähleisten. Diese Anfodeungen weden vom Bedienpesonal bestimmt. Die Auswikung de oben genannten Faktoen wuden beücksichtigt, um unteschiedliche Einsatzbeeiche diese Technologie zu eschliessen. Mit den höheen Abtagsleistungen eines pulsieenden Wassestahls sind in jedem Fall küzee Taktzeiten und die damit vebundene Veingeung des Wassevebauchs zu ewaten. 5.1.6. Fazit: Stand de Technik Im Sinne de Nachhaltigkeit kann diese Technologie mit eine goßen Anwendungsbeite im Beeich de gesamten Obeflächenbeabeitung von Metallen eingesetzt weden und füht zu eine Veingeung des Wassevebauchs und zu eine Vemeidung von Abwasse und Schlamm. Duch die einfache Handhabung de Reststoffe kann diese Technologie den gesamten Aufbeeitungsaufwand de Reststoffe eduzieen. Im Vegleich zu andeen Vefahen können folgende Ziele eeicht weden: Reduzieung de Schadstoffe 100% (Vegleich ECM, Vemeidung chemische Abfallstoffe) Reduzieung de Veuneinigung im zu ecycelnden Metall 100% (Vegleich Abasivvefahen, soteneine Abfallstoffe) Enegieespanis (Vegleich konventionelles Wassestahlentgaten) 96% Im Rahmen des Pojektes sollen theoetische und expeimentelle Untesuchungen zu Emittlung von allgemeinen Auslegungsichtlinien fü pulsieende Düsen duchgefüht weden. Diese Untesuchungen sind seh zeitaufwendig, da die entspechenden Stömungssimulationen und auch die expeimentellen Nachweise aufgund de aufwendigen Auswetung de Abtagsegebnisse nicht automatisieba sind. 5.1.7. Umwelttechnische Aspekte: Bedeutung fü die Umwelt Anhand de gewonnenen Ekenntnisse wäe es möglich, Anwendungsgebiete, die bishe nu mit umweltbelastenden Vefahen beabeitet weden können, neu zu eschließen, z.b. die Entlackung von Obeflächen. Daaus egibt sich ein insgesamt hohe volkswitschaftliche Nutzen des Vefahens. Außedem kann eine vemaktbae Poduktpalette von Düsen und Beabeitungsmaschinen entwickelt weden, die duch konkuenzfähige Beabeitungszeiten eine beite Anwendung dieses umweltfeundlichen Beabeitungsvefahens emöglichen. Die Voteile des Vefahens gegenübe dem Stand de Technik sind duch folgende Mekmale gegeben: Das Vefahen vewendet keine chemischen Zusatzstoffe zu Beabeitung de Obeflächen. Das Stahlwasse wid wiede vewendet. Duch den Wassestahl wid de Obeflächenabtag im Wasse gebunden, es entstehen somit keine Staubentwicklungen ode sonstige Emissionen. Das abgetagene Mateial fällt sotenein an, es kann aus dem Stahlwasse heausgefiltet weden. Die aufgeauhte Obefläche ist fei von Einlageungen, wie sie beim Sandstahlen aufteten. Duch den Einsatz von Pulsation wid de Gesamtenegieumsatz de Anlage geinge, de Enegieeinsatz efolgt witschaftliche.
5. Hauptteil 17 5.2. Theoetische Hintegünde Fluid Eigenschaften Viskosität Viskosität ode Zähigkeit ist de Widestand, de eine Veschiebung benachbate Flüssigkeitsschichten entgegengesetzt wid. Die Schubspannung ist popotional zu Viskosität und dem Geschwindigkeitsgadienten des Stömungspofils que zu Stömungsichtung. Daaus bildet sich das Newtonsches Schubspannungsgesetz. τ = η dx& dy& Folgende Abbildung 5-6 veanschaulicht das Schubspannungsgesetz. y=h v dv y y=0 x dv x Abbildung 5-6: Viskosität fü Newtonsche Flüssigkeiten De Popotionalitätsfakto η wid als dynamische Viskosität benannt. Die Einheit ist [Ns / m 2 ]. Wid diese auf die Dichte nomiet, so wid sie als kinematische Viskosität ν bezeichnet. η ν = ρ Hohe Viskosität bedeutet hohe Flüssigkeitseibung (Duckveluste). Wid eine bestimmte Stömungsgeschwindigkeit übeschitten, so geht die Stömung vom laminaen in den tubulenten Zustand übe. In diesem Beeich teten stake Vewibelungen auf, die de Flüssigkeit zusätzliche Enegie entziehen. Die dimensionslose Reynoldszahl Re emöglicht Aussagen übe den Zustand eine Stömung. Die Re kennzeichnet das Vehältnis de Tägheitskäfte po Flächeneinheit zu den Zähigkeitskäften po Flächeneinheit. 2 ρ v Re = η v l ρ v l = η v D = ν H v ist die Stömungsgeschwindigkeit, ν im Nenne die kinematische Viskosität. De hydaulische Duchmesse eechnet sich aus dem Stömungsqueschnitt A und dem benetzten Queschnittsumfang U. A D H = 4 U Im glatten Roh efolgt de Übegang von laminae zu tubulente Stömung etwa bei Re = 2300. Bei andeen Stömungswideständen ist es möglich diesen Wechsel bei kleineen Reynoldszahlen zu finden.
5. Hauptteil 18 Bis zu eine bestimmten Genzgeschwindigkeit ist de Stömungsvelauf duch ein glattes Roh (mit Radius und Länge l) lamina. Das ausbeitende Geschwindigkeitspofil übe dem Rohqueschnitt lässt sich mit dem Newtonschen Schubspannungsgesetz beechnen. Nach Beücksichtigung de Käftebilanz und Integation de Gleichung fü den Gesamtqueschnitt folgt die Gleichung fü den Volumenstom fü laminae Rohstömungen 4 π Q = p 8 η l ode Q = f ( p) Das Vehältnis de Duckdiffeenz zum Volumenstom wid als hydaulischen Widestand bezeichnet. p R H = Q Tait Gleichung Die Tait Gleichung bescheibt den Zustand von Wasse. Die Beziehung zwischen Duck und Dichte fü schwe kompessible Fluide kann damit ausgedückt weden. Das Medium Wasse fü die Simulation wid in de CFD Softwae ANSYS CFX mit diese Gleichung definiet. p + Bw d ( p) = γ ρ0 Bw 1 1,2E+06 1,0E+06 8,0E+05 Duck [Pa] 6,0E+05 4,0E+05 2,0E+05 0,0E+00 997,5 997,6 997,7 997,8 997,9 998 998,1 Dichte [kg/m³] Diagam 5-1 veanschaulicht das Vehältnis von Duck und Dichte fü das Fluid Wasse.
5. Hauptteil 19 1,2E+06 1,0E+06 8,0E+05 Duck [Pa] 6,0E+05 4,0E+05 2,0E+05 0,0E+00 997,5 997,6 997,7 997,8 997,9 998 998,1 Dichte [kg/m³] Diagam 5-1: Duck und Dichte von Wasse nach Tait Kavitation Nach de Kavitationstheoie von Raleigh ist eine Vedampfung nicht auszuschliessen. Teten hohe Stömungsgeschwindigkeiten auf so sinkt de Duck bis auf den Dampfduck bei de gegebenen Betiebstempeatu. Es muss abe zwischen gelöste Luft und Kavitationsblasen unteschieden weden. Die fü die Kavitationszahl zu beechnende Fomel lautet Geschwindigkeit von de Blasenwand 4 π 3 = momentane Blasenadius R = maximale Blasenadius P = statische Duckdiffeenz ρ o = Dichte de Flüssigkeit v = Zentipetalgeschwindigkeit E pot + E kin = E pot bei maximalen Blasenadius 3 p + 2 π ρ v 0 2 Die einzelnen Enegien eechnen sich aus potentielle Enegie: E + E = E V(t) = Volumenändeung E pot pot pkin 3 pot = 4 = p V(t) = π 3 4 π R 3 3 p 3 p kinetische Enegie: E pot = ρ 2 3 2 π 0 v (0) = Radius am Anfang eine wachsenden ode implodieenden Blase 2 p 0 v = + 1 3 ρ 0 3
5. Hauptteil 20 Fü die Beschleunigung gilt 0 4 3 0 ρ ± = p a maximale Blasenadius: t u R = 0 p 3 2 ρ t g = Zeit im Unteduckgebiet Gesamtimplosionszeit: p,915 0 0 ρ = R t g R t g ~ Implosionsduck: = = 1 3 2 3 3 0 0 0 0 0 m i R R p c v c p ρ ρ p 0 = Duck in unendliche Entfenung zu Blase R = Anfangadius de Blase Kavitationsgeäusch in eine Blase Entstehen Kavitationsgeäusche duch Volumenschwankungen, so können diese als akustische Monopole dagestellt weden. In de Hydoakustik eeichen Monopole den höchsten Geäuschniveau. Dahe kann angenommen weden, dass de Wikungsgad des abgestahlten Schalls popotional de Machzahl este Odnung ist. De Zusammenhang ist aus folgende Gleichung esichtlich. M U c U U c k v v v v = = = 0 0 0 0 0 ω ω ω v k : dimensionslose Fequenz 0 0 c U : Machzahl M U k v v ad = = 0 ω η (Monopol) M ad ~ η Ähnlichkeitsmechanik Ähnlichkeitsanalyse Das Gundsätzliches eine Ähnlichkeitsanalyse besteht im wesentlichen dain, einzelne Teilpozesse eines komplexen Pozesses zueinande in ein elatives Vehältnis zu setzen. Dabei weden nicht nu ihe absoluten Gößen betachtet. Alle betoffenen Gößen weden zu dimensionslosen Gößen eduziet.
5. Hauptteil 21 Dimensionslose Zahlen fü den Impulstanspot Viele veeinfachende Modelle die viele physikalische Pozesse genau bescheiben sind vohanden. Als Beispiel wid die Navie-Stokes-Gleichung fü die Stömung Newton sche Fluide allgemein anekannt. 4 4 3 4 14 2 14243 Käfte angeifende Tägheitskäfte pulsändeung v v p g v v t v + = + ρ 1 Im = = ² s² m kg s m kg kg N mit k z j y i x ; ; Nabla Opeato :,, k j i Einheitsvektoen x i (1;0;0), y j (1;0;0), z k (1;0;0) ² ; ² ; ² 2 2 2 z y x Delta Opeato ² = fü x-komponenten (g x wid zu null falls g nu in z-richtung wikt) + + = + + + ² ² ² 1 2 2 2 z v y v x v v x p g z v v y v v x v v t v x x x z z y y x x x ρ Die Käftebilanz ist eine vektoielle Göße po Masseneinheit und ist gültig fü Newton sche Fluide: d.h. es besteht eine lineae Beziehung zwischen den Spannungen und Defomationsgeschwindigkeiten. y v x = η τ ode v ij = η τ mit isotope Fluideigenschaften und fü inkompessible Fluide (nu fü Flüssigkeiten wo ρ = const.). Die Teme stellen jeweils eine Kaft da: Tägheitskaft, Schwekaft, Duckgadient sowie die viskosen Käfte. Fü eine Stömung wid die Aufgabe mit chaakteistischen Gößen beschieben: Stömungsgößen chaakteistische Gößen v v t Fequenz chaakte f evall Zeit T. : 1 int : g g ρ ρ p p υ υ k z j y i x ; ; L 1 ² ; ² ; ² 2 2 2 z y x ² 1 L Tabelle 5-1: Chaakteistische Gößen
5. Hauptteil 22 Wid die chaakteistische Geschwindigkeit v fü eine Rohstömung mit Queschnittsfläche A gewählt, so kann die mittlee Stömungsgeschwindigkeit wie folgt beechnet weden: Q v m A ode v v = v v v mit v [-] = dimensionslos. v m m m = v v m v m v vm Weden die Gößen dimensionslos in de Navie-Stokes-Gleichung esetzt, so wid die Gleichung zu: v { f v + t v² { L v v = { g g p p vv + { ρl ρ { L ² cha. cha. lokale cha. Schwekaft cha. cha. Tägheitskaft konvektive Duckkaft viskose Tägheitskaft Kaft v v Dimensionslose Käftevehältnise die sich auf die konvektive Tägheitskaft beziehen weden duch eine Division duch v²/l gebildet. L f v g L p p v + v v = g + v v 2 2 { v t { v { ρv ρ { Lv St Stouhal Zahl 2 F Foude Zahl Eu Eule Zahl 1 Re Re ynolds Zahl Weden diese Kennzahlen in die Navie-Stokes Gleichung eingesetzt, so ändet sich diese zu v 1 St + v v = t F 2 p g Eu + ρ 1 Re v v Bei konstante Dichte, Viskosität und Gavitationsfeld (ρ* = 1, υ* = 1, g* = 1) wid die Gleichung veeinfacht. Dimensionslose Zahlen v St + v v = t 1 F z Eu 2 p + 1 Re v Folgende Käftevehältnisse weden von dimensionslosen Kennzahlen epäsentiet. Reynolds Zahl: vl Re = v m m s = s m ² [ ] Tägheitskafte viskose Käfte
5. Hauptteil 23 Foude Zahl: F = v gl m s s m 1 2 m 1 2 = [ ] Tägheitskafte Schwekaft Eule Zahl: Stouhal Zahl: Eu p ρv kg m 2 2 s m 3 2 m s = kg m = 2 2 [ ] Tägheitskafte Duckkäfte Lf St = v m s s m = [ ] lokale Tägheitskafte konvektive Tägheitskäfte Mach Zahl: Ma = v κ E ρ m m s s kg 2 kg m 3 1 2 = [ ] Tägheitskafte Elastizitätskäfte Webe Zahl: We = v σ ρl 2 m s s kg kg m m 3 1 2 = [ ] Tägheitskafte Kapillakäfte Dimensionen von mechanischen Gößen weden übe die Basis Einheiten Länge L, Masse M, Zeit T und Kaft ausgedückt (in SI Einheiten m, kg, s, N). F L T kg m N = s = M 2 2 Fü den Volumenstom egeben sich Q = L T 3 m s 3 Bedingung fü die Dimensionsanalyse ist das es eine geometische, kinematische sowohl eine dynamische Ähnlichkeit zwischen dem Modell und das Oiginal besteht. (Indizes O = Oiginal, M = Modell) Geometische Ähnlichkeit Länge: Fläche: A A O M L O = L M L = L 2 O 2 M L = L 2
5. Hauptteil 24 Volumen: 3 3 3 M O M O L L L V V = = Kinematische Ähnlichkeit Zeit: M O T T T = Geschwindigkeit: M O O M M O M O T L v v T T L L v v v = = = Beschleunigung: 2 2 2 O M M O M O T L T T L L a a a = = = Dynamische Ähnlichkeit Kaft M O F F F =
5. Hauptteil 25 5.3. Modellieung im Flachwassekanal In einem esten Pojekt konnte duch das Institut fü Angewandte Foschung de Hochschule Esslingen ein Simulationsmodell estellt weden, welches die Fomgebung de Düse optimiete. Hiebei wude die Fom des Einlass de zum engsten Queschnitt de Düse füht festgelegt. Die Konstuktion eine Geometie zu Ezeugung von Duckschwankungen soll an este Stelle untesucht weden. Das Pojekt geht hinsichtlich de Ezeugung de Pulsation übe den Stand de Technik hinaus. Konventionelle Methoden vewenden zum Beispiel Blenden, um eine Pulsation im austetenden Stahl zu ezeugen. Die Idee de Ezeugung de Duckwellen übe eine mechanische Einichtung im Volauf de Düse wude fallengelassen. Anstelle von mechanischen Einichtungen (Kolben) und aufgund de zu ewatenden Reibungsveluste in Dichtungen wid die Pulsation im Stahl nun übe Resonanzkammen in de Düse ezeugt. Ein Düsenmodell wude dazu im Flachwassekanal aufgebaut, welches schittweise mit veschiedenen Resonanzkammen vesehen wude. Die Resonanzkamme- Anodnung de esten Vaiante im Flachwassekanal ist in folgende Abbildung 5-7 dagestellt. Abbildung 5-7: Resonanzkammen am Düsenmodell In Zusammenabeit zwischen dem Antagstelle und de Hochschule wude ein Püfstand aufgebaut, de die Ezeugung von Duckwellen in de Düse expeimentell untesucht. Düsenvaianten, die auf de Simulationsoptimieung basieen, weden dot paktisch untesucht, um eine Auslegung fü unteschiedliche Wekstoffe und Geometien zu emöglichen. In einem weiteen Schitt sollen diese Ekenntnisse zu Konstuktion eine kompletten Anlage fühen, die zu Beabeitung unteschiedliche Wekstoffe geeignet ist. Fü Modellvesuche im Flachwassekanal wude ein Düsenmodell mit zwei Resonanzkammen im engsten Queschnitt aufgebaut (Abbildung 5-8). Die Modellieung im Flachwassekanal hat den Voteil, daß in seh kuze Zeit viele Vaianten eine Gundgeometie vegleichend untesucht weden können.
5. Hauptteil 26 d l Abbildung 5-8: Resonanzkammen am Modell Beechnung Die Untesuchungen im Flachwassekanal bezogen sich auf eine Düse mit einem Duchmesse von 1 mm. Die Stömungsgeschwindigkeit in de Düse bei einem Abeitsduck von z.b. 100ba wid mit folgende Gleichung beechnet. u H 2 O p = 2 ρ Stömungsgeschwindigkeit mit: Dichte von Wasse bei 293K u H 2 O = 142m / s ρ H 2O = 988,2kg / m³ Die Mach-Zahl Ma O in de Düse wid aus de Stömungs- und Schallgeschwindigkeit von Wasse beechnet. u H 2O MaO = = 0,11 ah 2O Machzahl, Oiginal mit: Schallgeschwindigkeit in Wasse a H 2 O = 1200m / s Reynoldszahl, Oiginal: 5 ReO 1,4.10 Die Reynold sche Ähnlichkeit velangt ReO Re M ode uo DO = um DM Im voliegenden offenen Geinne des Flachwassemodelles ist maximale Stömungsgeschwindigkeit u M 0,1m / s, max = Daaus egibt sich de Duchmesse im Modell D M = 1, 4m
5. Hauptteil 27 Da die Stömung in de Düse volltubulent ist, kann die Reynoldszahl fü das Modell ohne Gefähdung de Ähnlichkeit um den Fakto 10 eduziet weden. Somit vekleinet sich de Modellduchmesse entspechend. mit Duchmesse, Modell Re M 1,4 10 D M = 0, 14m 4 Die aus diesen Vesuchen emittelten Geometien mit optimale Stahlbeeinflussung wuden dann in de CFD-Simulation nähe untesucht. Die seitlich an de Austittsbohung angeodneten Kammen wiken als Helmholtz-Resonatoen, zwischen denen eine Duckwelle pendelt. Die Duckschwankungen in den Kammen fühen zu eine Pulsation des Ducks am Austitt, die mit eine seitlichen Stahlschwankung vebunden ist. Eine Paametestudie zeigte, dass die Kammegeometie einen diekten Einfluß auf das Schwingungsvehalten des Stahles hat. Es wuden unteschiedliche Geometie-Ändeungen expeimentell duchgefüht. Die wichtigsten Maße sind die Kammetiefe l und de engste Queschnitt de Düse d. Diagamm 5-1 zeigt die gemessenen Duckveläufe fü unteschiedliche Vehältnisse l/d. Die gößten Schwingungsamplituden im Stahlaustitt eeichen ihen maximalen Wet bei einem Duchmessevehältnis l/d =1. Duckamplitude [hpa] 15 10 5 0 l/d = 0,5 l/d = 0,7 l/d = 1 l/d = 1,2 0 0,5 1 1,5 2-5 Zeit [s] Diagamm 5-1: Schwingungsamplituden Um diese Resonanz so zu vestäken, daß de Wassestahl in Abschnitte zelegt wid, wude ein zweites Kammepaa im engsten Queschnitt angebacht. Unteschiedliche Kammegeometien wuden am Modell im Flachwassekanal und in de Simulation untesucht. Zu genauen Modellieung de auftetenden Resonanzschwingungen wuden seh kleine Zeitschitte in eine tansienten Beechnung simuliet. Dies füht zu einem hohen Rechenaufwand (Simulationszeit 20h) und goßen Datenmengen. Aus diesem Gund weden Teile de Paametestudie expeimentell duchgefüht, um eine schnelle Eingenzung zu emöglichen. Ziel ist eine möglichst schmalbandige Oszillation des Duckes, um die hydaulische Enegie zeitlich in Einzelimpulsen zu konzentieen.
5. Hauptteil 28 5.4. Cad Simulationsmodell mit de Softwae SolidWoks Es wude nu ein Halbmodell aufgebaut. Im Simulationsmodell wude die Schnittebene als Symmetieebene definiet. Die Modelle wuden mit de CAD-Softwae SolidWoks estellt (Abbildung 5-9). Resonanzkammen Auslass Einlass Kontollaum Abbildung 5-9: CAD-Halbmodell de Düse Die Innenkontu des Düsenmodells wude mit de Softwae ICEM CFD de Fima ANSYS Inc. venetzt. Nach de Aufteilung des Modells in Blöcke ( Blocking ) kann die eigentliche Venetzung mit hexaede-fömigen Zellen duchgefüht weden. Die Simulationen weden mit de Softwae CFX 10.0 de Fima ANSYS Inc. duchgefüht. Die Egebnisse de tansienten Rechnung zeigen eine Duckschwankung im Stahl. In de folgenden Abbildung 5-10 weden Dücke fü sechs Zeitschitte dagestellt. In de linken Spalte ist ein Wanden eines Gebiets mit einem höheen Duck im Kontollaum ekennba. Die äumliche Dastellung de Egebnisse de tansienten Rechnung ist in de echten Spalte zu sehen. Sie zeigt die Ausbeitung de Duckwelle im Kontollaum. Auch hie ist eine Pulsation im Stahl ekennba. 3.10-5 s 5.10-5 s 7.10-5 s 9.10-5 s 1,1.10-4 s 1,3.10-4 s 3.10-5 s 5.10-5 s 7.10-5 s 9.10-5 s 1,1.10-4 s 1,3.10-4 s Pessue 6.2e+06 5.0e+06 5.0e+06 3.8e+06 1.3e+06 1.0e+06-1.1e+06-2.3e+06-3.6e+06-4.8e+06-6.0e+06 Abbildung 5-10: Duckvelauf in de tansienten Simulation