Strömungstechnik II Planung des Semesters Frank Kameier Raum E5.40, Tel. 4351-9721 frank.kameier@fh-duesseldorf.de Vorlesung 1 Einführung und „Was ist ein Ventilator?“ Praktikum 1: Ähnlichkeitstheorie (Energieersparnis und 1-D Stromfadenberechnung mit Excel) Vorlesung 2 Volumenstrommessung Vorlesung 3 Grundlagen Strömungsmechanik Vorlesung 4 Strömungsablösung Vorlesung 5 Kavitation Vorlesung 6 Tensorrechnung/Navier-Stokes Gleichung Praktikum 2: Pumpenkennlinie und Kavitation Vorlesung 7 Navier-Stokes Gleichung Vorlesung 8 Windenergieanlagen Praktikum 3: CFD Vorlesung 9 Strömungsmaschinen Vorlesung 10 Sichtbarmachung Praktikum 4: Radialverdichter Vorlesung 11 Grenzschichtströmung Vorlesung 12 Instationöre Aerodynamik in Strömungsmaschinen Praktikum: Rücksprache Vorlesung 13 Wiederholung Vorlesung 14 Prüfungsvorbereitung

Motivation – Anwendung von Strömungstechnik in der Praxis 1. Vorlesung Strömungstechnik II PEU Motivation – Anwendung von Strömungstechnik in der Praxis • Strömungsmaschinen - Turbinen - Pumpen - Verdichter - Ventilatoren - Gasturbinen / Flugtriebwerke • Strömungsmechanik - Luftfahrt - KFZ Aerodynamik - Messtechnik (Gas- und Wasserverbrauch) • Strömungsakustik - Musikinstrumente

Motivation – Anwendung von Strömungstechnik in der Praxis 1. Vorlesung Strömungstechnik II PEU Motivation – Anwendung von Strömungstechnik in der Praxis • Wo finden Sie Anwendungen der Strömungstechnik? • Welcher theoretische Background ist zum Verständnis notwendig? • Welche Bücher eignen sich zum Lernen?

Dimensionsbetrachtung -Vergleich der Einheiten- Massenerhaltung /Kontinuitäts-Gl. Mechanische Energieerhaltung (aus Impulserhaltung) Bernoulli-Gleichung Wiederholung – Wiederholung - Wieder

Flettner Rotor – Magnus Effekt Buckau - Baujahr 1924 Alcyone - Baujahr 1980 Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Flettner-Rotor

Flettner Rotor – Magnus Effekt Enercon E-Ship - Konzept - Bau bis 2010: Frachtschiff für Windkraftanlagen mit Flettner-Antrieb Mbuli - Baujahr 2007 http://www.skysails.info/index.php Quelle: http://www.hyc86.de/proa.htm

E-Ship 1 (Enercon) 4 Flettner-Rotoren mit 27 m Höhe und 4 m Durchmesser Angestrebt ist eine Kraftstoffersparnis von 30–40 % bei einer Fahrt von 16 Knoten (8,2 m/s) http://de.wikipedia.org/wiki/E-Ship_1

http://en.wikipedia.org/wiki/Kitegen

Beim Kite Gen werden Kunststoffseile auf zwei Spulen immer wieder auf- und abgespult und treiben so einen ringförmigen elektromagenetischen Generator an. … die Stromerzeugung erfolgt am Boden“ In 800 Metern Höhe herrschen Windgeschwindigkeiten von durchschnittlich 7,2 Metern pro Sekunde und ermöglichen so Stromleistungen von 205 Watt je Quadratmeter http://www.windkraftkonstruktion.vogel.de/allgemein/articles/236395/

http://www. aweconsortium http://www.aweconsortium.org/public/downloads/resources/archer_caldeira.pdf

Fahrzeuginnengeräusche – Grundlagenuntersuchungen für die BMW Group - Kameier, Horvat, Wagner, Ullrich, ATZ, Juni 2009

Wie sieht die Zukunft aus? aus: www.qmtmag.com März 2008

Prüfung und Prüfungsfragen schriftliche Prüfung am Semesterende: Geschwindigkeitsdreiecke, Berechnung von Strömungen, 1-D oder 3-D jeweils mit Reibung (geschlossene Gleichungssysteme, Benennung der Unbekannten, Einheit einzelner Terme), eigener Schwerpunkt gemäß Fragenkatalog, Anwendungen und Erklärung der Praktika Strömungstechnik I und II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/pruefung/index.html und http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/Vorlesung/bachelor_PP_PEU/Stroemungstechnik_II/pruefungsfragen260510.doc mündliche Prüfung ab 5. September 2013, Termin 1 x pro Monat – Fragen und Aufbau der Prüfung wie bei der Klausur Wichtigste Literatur zur Vorlesung

Literatur Schade, Kunz, Paschereit, Kameier: Strömungslehre, de Gruyter, 2007 Fox, R.W., McDonald, A.T.: Introduction to Fluid Mechanics, 4th Edition, New York, 1992 Grundmann, R., Schönholtz, F., Eidam, H., Rahn, B., Grundlagen der Ventilatorentechnik (Ventilatoren-Fibel), http://www.tlt-turbo.com/dateien/194.pdf Rolls-Royce plc.: The jet engine, Derby, 1996. www.windpower.dk Kameier: Vorlesungsskript Strömungsmaschinen, FH Düsseldorf 1999, http://mv.fh-duesseldorf.de/d_pers/Kameier_Frank/d_lehre/a_stroemungstechnik/Skript_stroemaschinen.pdf Kameier, Reinartz: Vorlesungsskript Strömungsakustik, FH Düsseldorf 2001 http://mv.fh-duesseldorf.de/d_pers/Kameier_Frank/d_lehre/b_stroemungsakustik/skript_stroeakustik.pdf

Was versteht man unter einem Ventilator? Ventilatoren – Vorbereitung des 1. Praktikumstermin Was versteht man unter einem Ventilator? axial radial diagonal Ventilatorenfibel, Turbo-Lufttechnik, Grundmann/Schönholtz; Fotos:Internet

Was versteht man unter einem Ventilator? Turbo-machine / Blower / Industrial Fan rotor stator inlet nozzle impeller centrifugal fan rotor blade axial fan volute Ventilatorenfibel, Turbo-Lufttechnik, Grundmann/Schönholtz; Fotos:Internet

Wann nennt man eine Strömungsmaschine Ventilator? Was versteht man unter einem Ventilator? Wann nennt man eine Strömungsmaschine Ventilator?  Druckerhöhung < 30000 Pa

Was versteht man unter einem Ventilator? statischer Druck – Totaldruck – Gesamtdruck (für inkompressible Medien)

Ventilatoren Welche Rolle spielt die Kompressibilität der Luft? Was versteht man unter einem Ventilator? Welche Rolle spielt die Kompressibilität der Luft?  Druckerhöhung < 30000 Pa Ventilatoren ideale Gasgleichung

Was versteht man unter einem Ventilator? Temperaturerhöhung in Folge einer Druckänderung (kompressible Strömung, Ventilator) Faustformel: pro 1000 Pa Druckerhöhung ergibt sich 1K Temperaturerhöhung isentrope_temperaturerhoehung160403.xls

Was versteht man unter einem Ventilator? Kompressible Strömungen aus den Isentropenbeziehungen, vgl. Schade/Kunz/Paschereit/Kameier (2007) kompressibel_inkompressibel081102_lösung.xls

Was versteht man unter einem Ventilator? Kompressible Strömung – Näherung mit mittlerer Dichte (hier: Staubsaugergebläse) Y= ∆𝑝 𝜌

Was versteht man unter einem Ventilator? Wann ist ein Ventilator effizient? Gültig nur für Radialventilator mit rückwärtsgekrümmten Schaufeln (efficiency grade 61 )! ErP COMMISSION REGULATION (EU): implementing Directive 2009/125/EC of the European Parliament and of the Council with regard to ecodesign requirements for fans driven by motors with an electric input power between 125 W and 500 kW, No 327/2011, 30 March 2011

Was versteht man unter einem Ventilator? Wann ist ein Ventilator besonders effizient? 1.) Die Strömung muss den Schaufeln des Rotors folgen. 2.) Die Umlenkung zwischen rotierendem und raumfestem System muss optimal sein: Rotor und Stator (Laufrad und Gehäuse) müssen so nah wie möglich aneinander grenzen! Diese Abstände müssen klein sein! Nachteil: Ventilator wird laut!

Was versteht man unter einem Ventilator? Wie ermittelt man die notwendige Antriebsleistung? (hier mit Proportionalitäten zur Drehzahl) Volumenstrom (auch qv abgekürzt) Druckdifferenz(auch ptot abgekürzt) Leistung (qv * ptot / Wirkungsgrad)

Was versteht man unter einem Ventilator? Wie ermittelt man die „Akustik“ eines Ventilators? VDI 2081 Geräuscherzeugung und Lärmminderung in Raumlufttechnischen Anlagen

Was versteht man unter einem Ventilator? VDI 2081 Geräuscherzeugung und Lärmminderung in Raumlufttechnischen Anlagen Schallleistungspegel=Schalldruckpegel + durchschallte Fläche (A0=1m2)

Lüfterkennlinie • Wirkungsgrad • Schallpegel Im optimalen Betriebspunkt sind  der Wirkungsgrad maximal der Schallpegel minimal optimaler Betriebspunkt η Wirkungsgrad Lw Schalldruckpegel V •

Beispiel: Lüfterkennlinie • Wirkungsgrad • Schallpegel Kann man einen leiseren Ventilator einbauen? Energieversorgungsblock - Bahn

Beispiel: Energieversorgungsblock - Austrittsströmung Austrittsströmung durch Gitter - Volumenstrombestimmung

Beispiel: Energieversorgungsblock - Eintrittströmung Energieversorgungsblock - Bahn

Beispiel: Was muss man tun, um die Schallemission zu reduzieren? verbauter Ventilator - K3G 355-AY40 www.ebmppst.com pfa=600 Pa, ptot=623 Pa, qV=2900 m3/h (Auslegung) pfa =Druckerhöhung „frei ausblasend“

Definition „frei ausblasend“ - für einen saugseitigen Prüfstand - Messverfahren für Strömungsmaschinen – frei ausblasend Definition „frei ausblasend“ - für einen saugseitigen Prüfstand - Da theoretisch für c2 gilt c2=0 wird ein pfreiausblasend definiert: p1 p2 saugseitiger Kammerprüfstand gemäß DIN 24163 mit p1=pb-p1 Die Geschwindigkeiten sind gemäß der Kontinuitätsgleichung aus dem Volumenstrom zu bestimmen!

Messung des Volumenstrom – Rückrechnung der Druckdifferenz 17,5 % geforderter Volumenstrom wird nicht erreicht

Druckverlust im System muss reduziert werden! verbauter Ventilator - K3G 355-AY40 www.ebmppst.com Ist: ptot=680 Pa, qV=2300 m3/h Soll: qV=3000 m3/h, d.h. ptot=600 Pa,

Effizienzklasse - Lüfter EuP-Richtlinie (Energy-using Products Directive 2005/32/EG) ErP-Richtlinie (Energy-related Product Directive 2009/125/EG) http://www.elektror.de/ErP-Richtlinie.969.0.html#10903

Kennlinie Axialventilator Mit verstellbaren Schaufeln Quelle: Ventilatorenfibel, Turbo-Lufttechnik, Grundmann/Schönholtz/Eidam/Rahn, www.tlt-turbo.com/dateien/194.pdf

Was versteht man unter einem Ventilator? Wie viel Kenntnisse der Strömungsmechanik und Akustik benötigt man, um das alles zu verstehen? eindimensionale versus mehrdimensionale Strömungen Reibungseinflüsse laminare und turbulente Grenzschichten oder Rohrströmungen instationäre Strömungen und Akustik