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

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

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

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

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

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

FH D Fachhochschule Düsseldorf Fachgebiet Strömungstechnik und Akustik 1 2 1 2 lokale Beschleunigung konvektive Beschleunigung nicht linear Frank Kameier 2003

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

Drehfrequenz ist proportional zu der Strömungsgeschwindigkeit. Halbschalen- und Ultraschallanemometer für den Einsatz an Windkraftanlagen. WINDTEST Grevenbroich GmbH Drehfrequenz ist proportional zu der Strömungsgeschwindigkeit. „Deutsche“ Bauart: Grundform Halbkugel Hersteller: Thies Clima „Dänische“ Bauart: Grundform Kegel Hersteller: Vektor Leistungskurven dänischer und deutscher WKA haben sich unterschieden, Initiative der Firma Windtest Kameier Juli 2002

Ablösung an einer umströmten Kugel: laminare Grenzschicht turbulente Grenzschicht Theorie: Unterschied laminare und turbulente Grenzschicht Kameier Juli 2002

{ Vergleich Halbkugel Kegelstumpf Ablösebereich 10° fester Ablösepunkt Die Umströmung des Kegelstumpfs ist unabhängig von der Reynoldszahl Kameier Juli 2002

Vergleich unterschiedlicher Anemometer – Ultraschall - Halbschalen Unerwartet schlechte Genauigkeit eigentlich insgesamt Kameier Juli 2002

Akustische Strömungsmessung: Ultraschallanemometer Laufzeitanalyse l Empfänger cll c  c a Sender Berechnung des Turbulenzgrades aus der Standardabweichung  der Messwerte: 10 Minuten-Mittelwerte aus denen die meteorologische Turbulenz berechenbar ist Anwendung: Turbulenzmessung, Meteorologie, Windenergienutzung Kameier Juli 2002

Vergleich unterschiedlicher Anemometer – Ultraschall - Halbschalen grün = mit Turbulenz 6 % Layout war Vorgabe der Firma Windtest. Kugel = Abweichung in m/s Kameier Juli 2002

Vergleich unterschiedlicher Anemometer – Ultraschall - Halbschalen Kameier Juli 2002

Vergleich unterschiedlicher Anemometer – Ultraschall - Halbschalen keine Schräganströmung, da jede Geschwindigkeitskomponente gleich aufgelöst werden kann. Kameier Juli 2002

Einfluss der verwendeten Anemometer auf die Leistungskurven von WKA 5% Geschwindigkeit = 15 % Leistung Kameier Juli 2002

Analyse der Dopplerfrequenz Akustische Strömungsmessung: SODAR Anwendung: Geschwindigkeits- und Turbulenzprofile, Meteorologie, Windenergienutzung Ultraschallverfahren, dass den Dopplereffekt ausnutzt, Dantec bietet das für Flüssigkeiten nun auch in Rohrleitungen an Analyse der Dopplerfrequenz Kameier Juli 2002

Geschwindigkeitsprofil Akustische Strömungsmessung: SODAR Offshore Messungen (Nov. 2001) (Frequenzen zwischen 1500 und 3000 Hz) enorme akustische Umweltbelastung bei Durchführung der Messungen Geschwindigkeitsprofil Kameier Juli 2002

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

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

Volumenstrombestimmung mittels Ultraschall – Laufzeitdifferenzverfahren  l a Empfänger Sender c cll c Kameier Juli 2002

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

Volumenstrombestimmung mittels Ultraschall – Laufzeitdifferenzverfahren cII Kameier Juli 2002

Rotation des Saugkastens - Abhängigkeit der Ultraschallwerte von der Zuströmrichtung 22 20 18 16 c [m/s] 14 Ultraschall Blende 12 10 45 90 135 180 225 270 315 360 Umfangswinkel [°] Aufbau I Kameier Juli 2002

Saugkasten – 200mm langes Rohr - Ultraschallaufnehmer (Aufbau II) qv=2,8m³/s 32 30 c_Bl. 40 c_Ultra. 28 30 26 Mittelwerte c [m/s] 24 Fehler [%] 20 22 20 Mittelwert 10 18 16 90 180 270 360 90 180 270 360 Saugkastenposition [°] Saugkastenposition [°] Kameier Juli 2002

Matlab-Interpolation aus 8 vermessenen Halbprofilen! Hitzdrahtmessung des gestörten Rohrströmungsprofils -200 -150 -100 -50 20 40 c[m/s] 0° - 45° - 90° - 135° r[mm] 50 100 150 200 180° - 225° - 270° - 315° 40 20 40 50 100 150 200 20 50 100 150 200 40 20 50 100 150 200 r[mm] Länge des Zwischenrohrs = 265 mm Länge des Zwischenrohrs = 165 mm Matlab-Interpolation aus 8 vermessenen Halbprofilen! Kameier Juli 2002

Simulation der Rohrströmung mit Umlenkung Kameier Juli 2002

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

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

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

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

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

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

FH D Fachhochschule Düsseldorf Fachgebiet Strömungstechnik und Akustik Bild 1.24: Japanische Windenergieanlage zur Ausnutzung besonders niederiger Windgeschwindigkeiten (ab 2,5 m/s), Die Welt 29.04.99. Frank Kameier 2003

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

FH D Fachhochschule Düsseldorf Fachgebiet Strömungstechnik und Akustik   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 www.itpower.co.uk/itpmarin.htm. Frank Kameier 2003

FH D Fachhochschule Düsseldorf Fachgebiet Strömungstechnik und Akustik Wirbelschleppen - instationäre und turbulente Strömungen Quellen: WDR, Quarks, 6/1999, http://www.quarks.de/fliegen2/00.htm M.Schober, http://obiwan.pi.tu-berlin.de/M.Schober/wjallcases/acoustic.mpeg Frank Kameier 2003

FH D Fachhochschule Düsseldorf Fachgebiet Strömungstechnik und Akustik Instationäre Aerodynamik  zeitliche Schwankungsgrößen Momentanwert=Mittelwert + Schwankungsgröße [ V ] [VDC] [VAC] Frank Kameier 2003

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

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

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

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