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Frank Kameier - Strömungstechnik I und Messdatenerfassung http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL1/ Nr.1 WS13/14

Frank Kameier

Einführungsvorlesung

Strömungstechnik I und Messdatenverarbeitung

Vier Praktikatermine als Anwendung und Übung

1. Messdatenverarbeitung

2. Geschwindigkeitsmessung und Volumenstrombestimmung

3. Druckverluste in Leitungen und Auswahl einer Strömungsmaschine (Beispiel Raumbelüftung)

4. Numerische Strömungsberechnung und Methoden zur Überprüfung der Simulationsergebnisse (Beispiel Strömung durch einen Krümmer, Visualisierung der Strömungsablösung)


Motor

Radiallüfter 12 V GrauConrad Best.-Nr.: 570095 - 62

Versuch mit einfachem Tischgebläse

Messdatenverarbeitung/Geschwindigkeitsmessung/Volumenstrombestimmung


Prandtl´sches Staurohr

Bohrung für Gesamtdruck

Bohrungen oder Schlitzfür statischen Druck

Anschlüsse für Differenzdruckmessgerät(Manometer)



Geschwindigkeitsverteilung = Profil



• Lernziel 1

Software zur Messdatenverarbeitung anwenden und Mittelungsprinzip verstehen, Volumenstrombestimmung, Messung einer Strömungsgeschwindigkeit, Größen mittels einer repräsentativen Fläche gewichten (Flächenmittelung)

Begriffe verstehen- Volumenstrom, Massenstrom- Dichte, Ideale Gasgleichung, inkompressibel- Geschwindigkeitsverteilung- Massenerhaltung

t [s]

b[V]

bbb

Momentanwert=Mittelwert + Schwankungsgröße [ V ] [VDC] [VAC]

T

0

dt)t(bT

1:b



• Lernziel 2

Raumbelüftung, Auswahl eines geeigneten Lüfters, Abschätzung von Druckverlusten, Wirkungsgrad von Strömungsmaschinen, mögliche Stromersparnis bei richtiger Ventilatorauswahl

Begriffe verstehen- Druckverluste- axiale, radiale Strömungsmaschine, Schaufelform- Kennlinien und dimensionslose Darstellung- Leistung und Wirkungsgrad

Axialventilator

Raumbelüftung/-absaugung

1-D Stromfadentheorie/Ähnlichkeitstheorie/Energieeffizienz

1-dimensionale Betrachtung(vom Eintritt zum Austritt)


• Lernziel 3

Energieeffizienz, mögliche Stromersparnis bei richtiger Ventilatorauswahl

Begriffe verstehen- Vorwärts und rückwärts gekrümmte Schaufel- Ventilatorkennlinien, Leistung, Wirkungsgrad


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

rückwärts gekrümmte Schaufel=energieeffizent vorwärt gekrümmte Schaufel

Tischgebläse aus Praktikum

Drehrichtung beachten! Drehrichtung beachten!

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Centrifugal_fan.gif


• Lernziel 3



Spiralgehäuse (gut!) freilaufend in rechteckigem Kasten (schlecht!)

FH Düsseldorf – Auslegungs- undKonstruktionswerkzeug


• Lernziel 3





Energieversorgungsblock (bei ICE unterm Zug)


• Lernziel 3






• Lernziel 4

Reibungsbehaftete Strömungen berechnen (numerische Simulation, Grundlagen CFD (Computational Fluid Dynamics), Größenordnung der Berechnung überprüfen

Begriffe verstehen- Bewegungsgleichung, Kontinuitätsgleichung- 1-D Strömung(zur Abschätzung), 3-D Strömung (reale Abbildung)- Randbedingungen- Vernetzung bei laminarer und turbulenter Wandgrenzschicht

turbulenteWandgrenzschicht

laminareWandgrenzschicht

Rohrkrümmer mit Geschwindigkeitsprofilen

3-D Strömung / numerische Strömungsberechnung (CFD)


Modalitäten: - vier Multiple-Choice-Tests a 3 Punkte =12 Punkte- eine Hausarbeit als Einzelarbeit, zur Auswahl stehen die drei Themen- komplexe 1. Geschwindigkeits- und Volumenstrommessung

2. Rohrhydraulik und Energieeffizienz3. Numerische Strömungsberechnung ANSYS-CFX

Auf dem Server: Groessen_und_Einheiten161210.pdf

… sollte man auswendig können!

…


Auf dem Server: Groessen_und_Einheiten161210.pdf


Praktikum I, Messdatenverarbeitung

Radialventilator / Geschwindigkeitsprofil

ideal gleichförmig

Geschwindigkeit über den Rohrradius oder -durchmesser

Laufradeintritt

Laufrad-austritt


Abtastung von Messwerten

m s0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 5 0 0 5 5 0 6 0 0

Y / t - G r a f i k 0

1 2 , 5

1 0 , 0

7 , 5

5 , 0

2 , 5

0 , 0

durch arithmetische Mittelung:Gleichanteil 11 [m/s]

Schwankung, Rauschen, Amplitude 1 [m/s]

m s0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 5 0 0 5 5 0 6 0 0

Y / t - G r a f i k 0

1 2 , 5

1 0 , 0

7 , 5

5 , 0

2 , 5

0 , 0

Schwankung, Sinus, 10 Stützstellen pro Periode

Für Prüfung besonders relevant!


Abtastung von Messwerten

m s0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 5 0 0 5 5 0 6 0 0

Y / t - G r a f i k 0

1 2 , 5

1 0 , 0

7 , 5

5 , 0

2 , 5

0 , 0


m s0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 5 0 0 5 5 0 6 0 0

Y / t - G r a f i k 0

1 2 , 5

1 0 , 0

7 , 5

5 , 0

2 , 5

0 , 0


durch arithmetische Mittelung:Gleichanteil 11 [m/s]


Prandtl´sches Staurohr und Bernoulli-Gleichung

Druckdifferenz= rhoFlüssigkeit*h*g

2

222

1

211 zg

2c

ρp

zg2c

ρp

31 ppp


Prandtl´sches Staurohr und Bernoulli-Gleichung

2

222

1

211 zg

2c

ρp

zg2c

ρp

31 ppp

2 = Staupunkt (c2=0)

und

z1=z2

321

pp2c


Statische Drucksonde

Verzweigungsstromlinie

Durch Kontinuum gibt es eine Stromaufwirkung – Strömungsmedium besteht nicht aus Billiardkugeln!


Sondenhalterung


Volumenstrom – Schwerlinienverfahren – VDI 2640 (1983)

Wahl der Messpunktabstände derart, dass arithmetische Mittelung möglich ist! (jede Teilfläche ist gleich groß)

𝑦 𝑖

𝐷=1

2 (1−√1−2𝑖−12𝑛 )

Messwert ist repräsentativ für eine Fläche!

flächenbezogene Mittelung


Volumenstrom – Schwerlinienverfahren – VDI 2640 (1983)

Messpositionen von außen gemäß VDI 2640: i Y/D 3 0,2959 2 0,1464 1 0,0436

schwerlinien_verfahren051113.xlsx

genügend Messpunkte notwendig- 3 hier nur exemplarisch !!!



AdcV

2

0

R

0

ddrrdA

R

0

drr)r(c2V

Geschwindigkeitsprofil_300913.xlsx

Berechnung aus Geschwindigkeitsprofil (kreisrundes Rohr)

Volumenstromberechnung

Beliebige Abstände durch Integration möglich!

Radius c(r)1 0,000 19,6 0,000982942 0,004 19,5 0,002928473 0,008 19,3 0,003455174 0,011 19,3 0,005851665 0,015 16,5 0,006310586 0,019 13,0 0,003430627 0,023 0,0 08 0,0230 q_v [m 3̂/s]

13,8 c[m/s]


AV

c


Die Geschwindigkeit an der Wand ist null!

Dieser Wert kann mit dem Prandtl´schen Staurohr nicht gemessen werden.

… Details zur Reibung siehe 4. Vorlesung!


AdcV

2

0

R

0

ddrrdA

R

0

drr)r(c2V

Geschwindigkeitsprofil_300913.xlsx

Berechnung aus Geschwindigkeitsprofil (kreisrundes Rohr)

Volumenstromberechnung

Zelle (C3+C4)/2=c(r)

Zelle (B3+B4)/2=r

Zelle (B4-B3)=dr

Integration mit Trapezverfahren

flächenbezogene Mittelung AV

c


Diese Simulation soll im ersten Praktikum erarbeitet werden!


Klausurbeispiel

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