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FH D Fachhochschule Düsseldorf Fachgebiet Strömungstechnik und Akustik Strömungstechnik II (Teil 2) Eine Lehrveranstaltung für das 4. Semester des Studiengangs.

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1 FH D Fachhochschule Düsseldorf Fachgebiet Strömungstechnik und Akustik Strömungstechnik II (Teil 2) Eine Lehrveranstaltung für das 4. Semester des Studiengangs Prozess-, Energie-, und Umwelttechnik Frank Kameier Frank Kameier 2003

2 FH D Fachhochschule Düsseldorf Fachgebiet Strömungstechnik und Akustik Frank Kameier 2003 Berechnung von Strömungen Gleichungen Unbekannte Axiome Gültigkeit Differentialgleichungen

3 FH D Fachhochschule Düsseldorf Fachgebiet Strömungstechnik und Akustik Frank Kameier 2003 Massenerhaltung Impulserhaltung, die Erhaltung des Drehimpulses, und die Energieerhaltung.

4 FH D Fachhochschule Düsseldorf Fachgebiet Strömungstechnik und Akustik Frank Kameier 2003 Gleichungen zur Berechnung von Strömungen

5 FH D Fachhochschule Düsseldorf Fachgebiet Strömungstechnik und Akustik Kontinuitätsgleichung - Massenerhaltungssatz Strömungsgeschwindigkeit Dichte ideale Gasgleichung Frank Kameier 2003

6 FH D Fachhochschule Düsseldorf Fachgebiet Strömungstechnik und Akustik lokale und konvektive Beschleunigung - Ableitungen nach der Zeit lokale Beschleunigung konvektive Beschleunigung substantielle Beschleunigung = nicht linear Frank Kameier 2003

7 FH D Fachhochschule Düsseldorf Fachgebiet Strömungstechnik und Akustik konvektive Beschleunigung lokale Beschleunigung nicht linear Frank Kameier 2003

8 FH D Fachhochschule Düsseldorf Fachgebiet Strömungstechnik und Akustik Kalkül wird aufwendig für die Berechnung mehrdimensionaler Strömungen mit Abhängigkeit der Geschwindigkeit c von t, x, y Frank Kameier 2003

9 Deutsche Bauart: Grundform Halbkugel Hersteller: Thies Clima Dänische Bauart: Grundform Kegel Hersteller: Vektor Drehfrequenz ist proportional zu der Strömungsgeschwindigkeit. Kameier Juli 2002 Halbschalen- und Ultraschallanemometer für den Einsatz an Windkraftanlagen. WINDTEST Grevenbroich GmbH

10 Kameier Juli 2002 Ablösung an einer umströmten Kugel: laminare Grenzschichtturbulente Grenzschicht

11 Kameier Juli 2002 Vergleich HalbkugelKegelstumpf { Ablösebereich 10°fester Ablösepunkt

12 Kameier Juli 2002 Vergleich unterschiedlicher Anemometer – Ultraschall - Halbschalen

13 Berechnung des Turbulenzgrades aus der Standardabweichung der Messwerte: Kameier Juli 2002 Akustische Strömungsmessung: Ultraschallanemometer Laufzeitanalyse c c ll l a Empfänger Sender c Anwendung: Turbulenzmessung, Meteorologie, Windenergienutzung

14 Kameier Juli 2002 Vergleich unterschiedlicher Anemometer – Ultraschall - Halbschalen

15 Kameier Juli 2002 Vergleich unterschiedlicher Anemometer – Ultraschall - Halbschalen

16 Kameier Juli 2002 Vergleich unterschiedlicher Anemometer – Ultraschall - Halbschalen

17 Kameier Juli 2002 Einfluss der verwendeten Anemometer auf die Leistungskurven von WKA

18 Anwendung: Geschwindigkeits- und Turbulenzprofile, Meteorologie, Windenergienutzung Analyse der Dopplerfrequenz Kameier Juli 2002 Akustische Strömungsmessung: SODAR

19 Geschwindigkeitsprofil Kameier Juli 2002 Akustische Strömungsmessung: SODAR Offshore Messungen (Nov. 2001) (Frequenzen zwischen 1500 und 3000 Hz)

20 Volumenstrombestimmung mittels Ultraschall bei stark gestörten Strömungsprofilen Kameier Juli 2002 Ultraschall Durchflussmessung von Fluiden mit Drosselgeräten DIN EN ISO 5167 Teil 3 (1998)

21 FH D Fachhochschule Düsseldorf Fachbereich 4 - Maschinenbau und Verfahrenstechnik Frank Kameier Januar 2001 Volumenstrombestimmung mittels Ultraschall: Geschwindigkeitsprofil stromab eines Saugkastens

22 Kameier Juli 2002 l a Empfänger Sender c c c ll Volumenstrombestimmung mittels Ultraschall – Laufzeitdifferenzverfahren

23 Volumenstrombestimmung mittels Ultraschall bei stark gestörten Strömungsprofilen Kameier Juli 2002 Aufbau 1Aufbau 2

24 Volumenstrombestimmung mittels Ultraschall – Laufzeitdifferenzverfahren Kameier Juli 2002 a c II

25 Rotation des Saugkastens - Abhängigkeit der Ultraschallwerte von der Zuströmrichtung Kameier Juli Ultraschall Blende c [m/s] Umfangswinkel [°] Aufbau I

26 Saugkasten – 200mm langes Rohr - Ultraschallaufnehmer (Aufbau II) q v =2,8m³/s Kameier Juli Mittelwerte c_Bl. c_Ultra. c [m/s] Saugkastenposition [°] Mittelwert Fehler [%] Saugkastenposition [°]

27 Hitzdrahtmessung des gestörten Rohrströmungsprofils Kameier Juli 2002 Matlab-Interpolation aus 8 vermessenen Halbprofilen! r[mm] Länge des Zwischenrohrs = 265 mm Länge des Zwischenrohrs = 165 mm

28 Kameier Juli 2002 Simulation der Rohrströmung mit Umlenkung

29 Kameier Juli 2002 Simulation der Strömung in der Ultraschallmessstrecke Mittelung entlang schräger Messpfade Messung Rechnung

30 FH D Fachhochschule Düsseldorf Fachgebiet Strömungstechnik und Akustik Frank Kameier 2003 Bild 1.19: Aufwindkraftwerk in Manzanares Spanien, Turmhöhe 200m, Turm Ø 10 m, Kollektordach Ø 250 m, Leistung 50 kW, aus Hau, Windkraftanlagen 1997.

31 FH D Fachhochschule Düsseldorf Fachgebiet Strömungstechnik und Akustik Frank Kameier 2003 Bild 1.21: Windkraftanlagen – Rotoren mit vertikaler Drehachse, aus Hau, Windkraftanlagen 1997.

32 FH D Fachhochschule Düsseldorf Fachgebiet Strömungstechnik und Akustik Frank Kameier 2003 Darrieus-Windkraftanlage, Ø 19 m, 170 kW, Firma Flowind USA Darrieus-Windkraftanlage (H-Rotor), Ø 35 m, 300 kW, USA

33 FH D Fachhochschule Düsseldorf Fachgebiet Strömungstechnik und Akustik Frank Kameier 2003 Bild 1.22: Windkraftanlage mit Getriebe, aus Hau, Windkraftanlagen 1997.

34 FH D Fachhochschule Düsseldorf Fachgebiet Strömungstechnik und Akustik Frank Kameier 2003 Bild 1.16: Forschungsschiff Alcyone (Jacques-Yves Cousteau 1985) mit Flettner-Rotor als Segelantrieb, Quelle: Greenpeace.

35 FH D Fachhochschule Düsseldorf Fachgebiet Strömungstechnik und Akustik Frank Kameier 2003 Bild 1.24: Japanische Windenergieanlage zur Ausnutzung besonders niederiger Windgeschwindigkeiten (ab 2,5 m/s), Die Welt

36 FH D Fachhochschule Düsseldorf Fachgebiet Strömungstechnik und Akustik Frank Kameier 2003 Bild 1.23: Konzept eines 350 kW Meeresströmungsgenerators, Erneuerbare Energien 5/2000.

37 FH D Fachhochschule Düsseldorf Fachgebiet Strömungstechnik und Akustik Frank Kameier 2003 Bild 1.13: 400 kW Wellenkraftwerk, Kvaerner Brug A.S., Oslo (1985), mit Wells-Turbine, die unabhängig von der Durchströmungsrichtung in die selbe Richtung rotiert. (Quelle: VDI 1985) oder

38 FH D Fachhochschule Düsseldorf Fachgebiet Strömungstechnik und Akustik Wirbelschleppen - instationäre und turbulente Strömungen Quellen: WDR, Quarks, 6/1999, M.Schober, Frank Kameier 2003

39 FH D Fachhochschule Düsseldorf Fachgebiet Strömungstechnik und Akustik Momentanwert=Mittelwert + Schwankungsgröße [ V ] [V DC ] [V AC ] Instationäre Aerodynamik zeitliche Schwankungsgrößen Frank Kameier 2003

40 FH D Fachhochschule Düsseldorf Fachgebiet Strömungstechnik und Akustik zeitliche Schwankungsgrößen allgemeine Rechenregeln Frank Kameier 2003

41 FH D Fachhochschule Düsseldorf Fachgebiet Strömungstechnik und Akustik Beispiel: Prandtlsches Staurohr in turbulenter Strömung 0 Frank Kameier 2003

42 FH D Fachhochschule Düsseldorf Fachgebiet Strömungstechnik und Akustik Reynoldsgleichung Impulssatz für inkompressible newtonsche Fluide (Navier-Stokes-Gleichung) Mittelwerte und Schwankungsgrößen Frank Kameier 2003

43 FH D Fachhochschule Düsseldorf Fachgebiet Strömungstechnik und Akustik Reynoldsgleichung turbulente Zähigkeit Turbulenzmodelle etc. zeitliche Mittelung der Gleichung Konti-Gl. und Produktregel rückwärts nicht lineare partielle Differentialgleichung mit Orts- und Zeitabhängigkeit Frank Kameier 2003


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