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Strömungstechnik II (Teil 2)

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Präsentation zum Thema: "Strömungstechnik II (Teil 2)"—  Präsentation transkript:

1 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

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

3 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

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

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

6 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

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

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

9 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

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

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

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

13 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

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

15 Vergleich unterschiedlicher Anemometer – Ultraschall - Halbschalen
Kameier Juli 2002

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

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

18 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

19 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

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

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

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

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

24 Volumenstrombestimmung mittels Ultraschall – Laufzeitdifferenzverfahren
cII Kameier Juli 2002

25 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

26 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

27 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

28 Simulation der Rohrströmung mit Umlenkung
Kameier Juli 2002

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

30 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

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

32 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

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

34 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

35 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 Frank Kameier

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

37 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 Frank Kameier

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

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

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

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

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

43 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


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