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Maschinenbau
Bachelor

Strömungsmesstechnik

Strömungssonden und Sondenkalibrierung



Die experimentelle Untersuchung von Strömungsfeldern ist sehr wichtig, um das Verhalten realer Strömungsvorgänge experimentell erfassen und um Berechnungsverfahren mit gemessenen Werten validieren zu können. Hierzu werden pneumatisch messende Mehrlochsonden eingesetzt. Im Labor werden folgende Sonden eingesetzt:

  • Keilsonde (Vierlochsonde) für dreidimensionale Strömungen
  • Zylindersonde (Dreilochsonde) für zweidimensionale Strömungen

Die Dreilochsonde (linkes Bild) ist eine Zylindersonde und kann zweidimensionale Strömungen messen. Der Durchmesser der Zylindersonde beträgt 2-3 mm, zusätzlich ist am Sondenkopf ein Thermoelement zur Temperaturmessung angebracht.




Beim Versuch Sondenkalibrierung wird die Dreilochsonde bzw. die Vierlochsonde im Sondenkalibrierkanal kalibriert. Aus der Druckverteilung am Sondenkopf kann die Strömungsgeschwindigkeit ermittelt werden.

Es werden folgende Messungen durchgeführt:

  • Temperatur an der Sonde und im Kalibrierkanal
  • Drehzahl des Gebläses im Kalibrierkanal
  • Druckverteilung an der Dreilochsonde bzw. Vierlochsonde und im Sondenkalibrierkanal
Mit den Messungen können dann folgende Ergebnisse bestimmt werden:
  • Ermittlung von Kalibrierfaktoren für den statischen Druck und den Totaldruck an der Sonde
  • Messung von Geschwindigkeiten beliebiger Strömungen (Betrag der Strömungsgeschwindigkeit) bei abgeglichener Sonde
  • Variation von Gier- und Nickwinkel des Sondenverstellgerätes
  • Die Kalibrierfaktoren für den statischen Druck und den Totaldruck werden später für den Praktikumsversuch „Axialverdichter“ benötigt. Dort werden mehrere Sonden eingesetzt und mit Hilfe der ermittelten Kalibrierfaktoren können beliebige Strömungsfelder gemessen werden. Alle Messgrößen werden in LabVIEW erfasst und stehen dann zur Weiterverarbeitung zur Verfügung.

CFD Simulation

In der heutigen Zeit nimmt die Simulation von Prozessen immer mehr Platz ein, das aufbauen eines realen Versuchstandes ist weit weniger lukrativ als das aufbauen bzw. zeichnen eines virtuellen Versuchstandes.
Damit auch unsere Studenten die Möglichkeit erhalten Strömungsverhältnisse zu simulieren setzten wir erstmals das CFD Programm Openfoam ein um das Ausströmungsverhältnis der Düse von unserem Sondenkalibrierungsprüfstand und die Umströmung der Keilsonde näher zu untersuchen.



Der Beginn einer CFD Simulation ist dabei immer eine CAD Zeichnung des zu simulierenden Gebietes, auf dass dann ein so genanntes „Mesh“ gelegt wird.

Als CFD Programm findet das Programm Openfoam seinen Einsatz, dieses Programm ist weitestgehend kostenlos und für jeden zugängig.

Openfoam ist aber nur zur Simulation eines bestehenden 3D Modells anwendbar, damit ein solches Modell verwendet werden kann muss eine Mesh mit dem Programm Snappy hex erstellt werden.

In das nun bestehende 3D Modell müssen dann nur noch die entsprechenden Randbedingungen festgelegt werden und dann kann das Programm in einer bestimmten Anzahl von Iterartionsschritten (Simulationdurchläufe) den Systemzustand berechnen und Anzeigen.

Im Fall der Düse und der Anströmung einer Keilsonde stellten wird die Geschwindigkeit und den Druck in den Vordergrund.

Abhängig von den Iterrationsschritten und den verwendeten Turbulenzmodelle können dabei folgende Resultate erzielt werden.


Ergebnisse



Ausblicke

Geplante Erweiterung


In Planung ist die Auslegung unseres Turbinenlaufrads der Kaplanrohrturbine und dessen Anströmungssimulation.



Laser-Doppler-Anemometrie (LDA)

Die Laser-Doppler-Anemometrie (LDA) ist eine spezielle Strömungsmessmethode, mit der es uns möglich ist punktuell und berührungslos, die Geschwindigkeitskomponenten einer Fluidströmung zu messen. Ein Vorteil gegenüber den herkömmlichen Methoden, ist unteranderem die flexible Einsatzmöglichkeit und dass durch die berührungslose Messung, die Strömung nicht beeinflusst wird.

Theorie des LDA



Der Aufbau und das Funktionsprinzip der LDA zur Geschwindigkeitsmessung sind dabei wie folgt:

Der Aufbau und das Funktionsprinzip der LDA zur Geschwindigkeitsmessung sind dabei wie folgt:
• Erzeugung eines Laserstrahls
• Teilung des Laserstrahls mit eines Strahlteilers (Bragg Cell)
• Diese zwei Strahlen kreuzen sich im Medium, deshalb wird dieser
  Bereich auch Kreuzungsbereich genannt.
• In diesem Kreuzungsbereich interferieren die beiden Wellen
  miteinander und es entsteht ein Interferenzstreifensystem mit
  idealerweise äquidistanten ebenen Interferenzflächen.
• Die Interferenzflächen stehen dabei senkrecht auf der durch die
  Laserstrahlen aufgespannten Ebene und parallel zur Winkelhalbierenden 
  der Laserstrahlen.
• Bewegt sich ein sehr kleines Partikel durch dieses periodische
  Interferenzstreifensystem, streut es die lokale gitterartige Intensitätsverteilung.
  Die Frequenz des erfassten Streulichtsignals (über den Photodetektor)
  ist somit proportional zur  Geschwindigkeitskomponente senkrecht zu den Interferenzflächen.

Aufbau des LDA-Versuchstandes



Das linke Bild ist der LDA Aufbau des Labors im oberen Bereich ist der eigentliche Laser, welcher die vier Strahlen zur Geschwindigkeitsmessung erzeugt.

Im unteren Bereich befinden sich die Ansteuerung sowie der Computer mit der Software zur Auswertung.

Eine LDA ist zwar eine berührungslose Strömungsmessung allerdings müssen die Laserstrahlen auf die Partikel in der Strömung treffen, was natürlich eine transparente Messstrecke voraussetzt.
Wie im rechten Bild zu sehen ist wurde eine teilweise transparente Gebläßemessstrecke speziell für die LDA aufgebaut. In dieser kann nachdem speziellen zufügen von Feststoffpartikeln mittels der LDA die Strömungsgeschwindigkeit gemessen werden.



Durchgeführte Arbeiten

Laser-Doppler-Anemometry System installation and implementation

Justierung des LDA Systems

Vermessung von Strömungsfeldern mittels LDA

Aufbau und CFD-Analyse einer LDA-Messstrecke

Erstellung eines Modells der LDA-Messstrecke und dessen Simulation mittels Flowmaster



Tragflügelumströmung im Windkanal




Im Labor ist ein Windkanal Göttinger Bauart mit einfacher, geschlossener Strömungsrückführung und offener Messstrecke aufgebaut

Der messtechnische Aufbau des Windkanals besteht aus einem Messtisch und einer mit Plexiglasscheiben verkleideten Messkammer, in dem das Tragflügelprofil aufgehängt ist. Die Aufhängung wird über senkrechte und waagrechte Stangen in der Messkammer realisiert. Durch diese Konstruktion werden in vertikaler und horizontaler Richtung voneinander unabhängige Bewegungen erzielt. Mittels Kraftsensoren in den senkrechten und waagrechten Stangen werden Kräfte in diesen beiden Richtungen aufgenommen. Mit Hilfe eines regelbaren Schrittmotors wird das Tragflügelprofil bei unterschiedlichen Anstellwinkeln positioniert. Die Zuströmung zum Tragflügel erfolgt in horizontaler Richtung, die Umströmung des Tragflügelprofils in der Messkammer ergibt sich weitgehend als zweidimensionale Strömung.

Im Tragflügelversuch werden folgende Parameter ermittelt:

  • Die Druckverteilung über der Tragflügeloberfläche wird über Messbohrungen und mit Hilfe des Druckscanners bei unterschiedlichen Anstellwinkeln gemessen
  • Mit dem Flügelradanemometer wird die Zuströmgeschwindigkeit und die Temperatur gemessen
  • Mit dem Prandtl-Staurohr wird der statische Druck und der Totaldruck der Zuströmung gemessen
  • Die Auftriebskraft FA wird über die Druckverteilung ermittelt
  • Die Auftriebskraft FA wird über die an der Aufhängung angebrachten Kraftsensoren gemessen
  • Die Widerstandskraft FW wird aus der Änderung des Geschwindigkeitsfeldes in horizontaler Richtung ermittelt (Impulsverlust)
  • Aus FA und FW werden die Widerstandsbeiwerte cA und cW berechnet
Die Messwerte werden in LabVIEW erfasst, die Ansteuerung des Druckscanners und des Schrittmotors für die Variation des Anstellwinkels erfolgt ebenfalls in LabVIEW.

Technische Daten:
 Durchmesser am Düsenaustritt1000 mm
 Strömungsgeschwindigkeit am Düsenaustrittmax. 90 m/s
 Volumenstrom am Düsenaustrittmax. 70 m³/s
 Elektrische Leistung des Windkanalgebläses180 kW
 Durchmesser des Windkanalgebläses1600 mm



Energie- und Strömungstechnik

Raum: H059
Telefon: 0751/501-9554

Kontakt

Laborleiter:
Prof. Dr.-Ing Gerd Thieleke

Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Lars Franke M.Eng.

Labormeister:
Thomas Frei