CFD-Simulation von Störkörpern - ptb.de · PDF fileAndreas Weissenbrunner | PTB 3 Andreas Swienty | TU-Berlin Volumenstrom CFD Idee: •CFD-Simulation der Strömung hinter...

Andreas Weissenbrunner | PTB | Arbeitsgruppe 7.52 | Neue Verfahren der Wärmemengenmessung

Andreas Swienty | TU-Berlin | Fachgebiet Fluidsystemdynamik - Strömungstechnik in Maschinen und Anlagen

CFD-Simulation von Störkörpern

2 Andreas Weissenbrunner | PTB

Andreas Swienty | TU-Berlin

Vor-Ort-Kalibrierung von Durchflussmessgeräten in der Fernwärme

Herausforderung:

• Messstellen der Fernwärmeleitungen begrenzt

• Große Durchmesser (> 400 mm), hohe Temperaturen

(>80°), hohe Durchflüsse

• Verschiedene Störungen im Rohr, keine ausreichend

lange gerade Rohrstrecke vor Messort

kein Rotationssymmetrisches

Strömungsprofil

Großer Fehler in der

Durchflussbestimmung

Kooperationspartner:

Ziel:

• Vor-Ort-Kalibrierung eingebauter Messgeräte im

Berliner Fernwärmenetz

• Durch spezielles Anbohrverfahren optischen Zugang

schaffen

• Mit LDV-Messung eines Pfades den Volumenstrom

Bestimmen



Volumenstrom

CFD

Idee:

• CFD-Simulation der Strömung hinter Stör-Geometrie

• Rekonstruktion des Strömungsprofils auf restlichem Querschnitt

Unsicherheit?

w [

m/s

]

r [m]

x [m]

y [m]

w

[m

/s]





Simulation verschiedener Störungen von Rohrströmungen

Vergleich von CFD Ergebnissen und LDV- und PIV-Messungen auf dem

gesamten Rohrquerschnitt

Untersuchung von:

- ungestörten Geschwindigkeitsprofilen

- durch eine 1/3 Segmentblende gestörte Geschwindigkeitsprofile

- durch Rohrkrümmer gestörte Geschwindigkeitsprofile

Beurteilung des Einflusses von Turbulenzmodellen

PIV-Messung k-ω Turbulenzmodell k-ε Turbulenzmodell LRR Turbulenzmodell

Vergleich der Simulationsergebnisse der axialen Strömungsgeschwindigkeiten nach einem Raumkrümmer bei unterschiedlichen Turbulenzmodellen mit einer PIV-Messung




Simulation einer ungestörten Rohrströmung

Ansys CFX OpenFOAM

Vergleich der Simulationsergebnisse der axialen Strömungsgeschwindigkeiten nach einem Raumkrümmer bei unterschiedlichen CFD-Programmen



Unsicherheit in Strömungssimulationen

Vergleichbarkeit von Messung und Simulation

Realität

Simulation

Messung

Modell

Diskretisierung

Näherungslösung

idealisierter

Realität

Randbedingungen nur

näherungsweise

bekannt

Strömungsverhalten nur

näherungsweise

bekannt

Diskretisierungsfehler

Randbedingungen

Abweichung





Untersuchung des Einflusses verschiedener Einlassgeschwindigkeitsprofile

Untersuchung des Einflusses

von verschiedenen Inlet-

Profilen

Auswertung bei 1D hinter

einem Krümmer an 10

Ebenen

Als Einlassbedingung

Geschwindigkeitsprofile nach:

- 1/3 Segmentblende

- Rohrkrümmer

Vergleich mit voll ausgebildetem

Geschwindigkeitsprofil






- Erzeugung von Einlassprofilen durch zuvor durchgeführte Simulationen von

Blenden- und Krümmergeometrien

- Übernehmen der Geschwindigkeitswerte und Turbulenzgrößen als

Einlassbedingung

- Als Referenz dient eine Simulation mit einem voll ausgebildeten

Geschwindigkeitsprofil als Einlassbedingung

Blende Krümmer






6.7 4.5 20.4 5.2 2.0 0.7 0.2 3.3 5.3 2.8

1.4 4.9 14.2 14.1 2.8 0.9 0.8 1.7 3.3 1.7

Darstellung der Abweichung der axialen

Strömungsgeschwindigkeit nach der L1-Norm



Unsicherheits-Quantifizierung

Unsicherheits-Quantifizierung (uncertainty quantification) akzeptierter Begriff *.

Aber: eine metrologische Rückführbarkeit ist NICHT möglich. Rückführbarkeit bedeutet:

das Ergebnis (einer Messung) kann durch eine dokumentierte ununterbrochene Kette von

Kalibrierungen, von denen jede zur Messunsicherheit beiträgt, auf eine Referenz bezogen werden**.

Abschätzung

• Monte Carlo Methoden

• Gaussian Process Emulation

• Polynomial Chaos

Randbedingungen:

• Viskosität

• Rauheit

• Geometrie

• Strömungsbedingungen

vor der Störung

Unsicherheit

Stärkster Einfluss

Untersuchung eines

Raumkrümmers

(mit AG 8.41, A. Fiebach, S. Schmelter)

*Von SIAM (Society for Industrial and Applied Mathematics) und ASA (American Statistical Association)

**Definition Rückführbarkeit, Internationales Wörterbuch der Metrologie DIN



PC- Anwendung auf Raumkrümmer

Raumkrümmer mit unsicherheitsbehaftetem Eingangsprofil

• Raumkrümmer erzeugt starke Störung (Drall und Asymmetrie!)

• Raumkrümmer ist am häufigsten vorkommende Störung in Fernwärmeleitungen

• Vor einem Raumkrümmer ist meistens wieder ein Raumkrümmer

Abstand in z/D von Raumkrümmer

Inflow

Idee:

• Erzeugung eines physikalisch sinnvollen Eingangsprofils durch einen Raumkrümmer

• Zufallsvariable ist der Abstand des vorherigen Krümmers (uniform Verteilt)

0 D 50 D

Dz /]50,0[

Vorteil:

• Eingangsprofil ist physikalisch sinnvoll

• Variation von nur einer Größe liefert alle benötigten Variablen (u, v, w, k, ω, ԑ)




links drehend

rechts drehend

Erwartungswert Standardabweichung Ebene 1

2D Abstand




Erwartungswert Standardabweichung

links drehend

rechts drehend

Ebene 10

47D Abstand




Ebene 1

2D Abstand

Ebene 3

12D Abstand

Erwartungswert Standardabweichung Kombination

links und rechts

drehend



Raumkrümmer

Simulation

Qualitativer Vergleich

w

Abweichung von Simulation und

Messung in % bezogen auf die

Volumetrische geschwindigkeit

Hohe Geschwindigkeit kleine Fehler

Niedrige Geschwindigkeit große Fehler



Raumkrümmer

Erwartungswert Drall

links drehend rechts drehend Inlet:

Ebene 2

7D Abstand

Ebene 10

47D Abstand




Integral der Standardabweichung der Hauptströmungsrichtung

der jeweiligen Auswerteebene in %




Ebene 1

2D Abstand




Ebene 9

42D Abstand



PC-Bestimmung des Volumenstroms

Ebene 4

17D Abstand

Unsicherheit im

Durchfluss:

~5%

Multiplikation der

Messkurve mit

konstantem Faktor bis

zu den Grenzen der

Fehlerbalken.

nach oben: 1.015

nach unten: 0.965



PC-Bestimmung des Volumenstroms

Ebene 5

22D Abstand

Unsicherheit im

Durchfluss:

~3%

Multiplikation der

Messkurve mit

konstantem Faktor bis

zu den Grenzen der

Fehlerbalken.

nach oben: 1.02

nach unten: 0.99



Motivation

Untersuchung praxisrelevanter Störungen:

• mit optischen Messverfahren

• mit numerischen Simulationen, Computational Fluid

Dynamics (CFD)

Verbesserung der Messung durch Vorhersage des Strömungsprofils am Messort

?

Ideal

• Die meisten Messgeräte reagieren empfindlich auf gestörte Strömungsprofile

• Im Rohr bildet sich nur nach ausreichend langer gerader Rohrstrecke ein ideales Profil aus

Ziel

Ausgangslage

Lösung

Strömungsprofil

Gestört



Ultraschall Ein-Pfad-Messung hinter einem Raumkrümmer

Berechnung des Volumenstroms nach dem Prinzip eines Ultraschall-Einpfad-Messgeräts

hinter einem Raumkrümmer

Polynomial Chaos Untersuchung mit zwei

Zufallsvariablen:

Winkel und Position des Ultraschall-Messpfades

Berechnung an 20 Positionen mit 20 Winkeln

Infl

ow

Winkel 0 bis 2π

Ultraschall Pfad

Q_exakt: 34.08 m³/h

Erwartungswert: 33.59902 m³/h

Erwartete Abweichung : -1.421155 %

Standardabweichung: 0.6979456 m³/h = 2.05%

Ergebnis:

Ultraschall Pfad



Ultraschall Ein-Pfad-Messung hinter einem Raumkrümmer

Verlauf des Erwarteten

Fehlers über die Position

Rot:

Standardabweichung bei

Variation des Winkels

Blau:

Maximale und minimale

Abweichung vom

Erwartungswert



7%-Segmentblende

Störkörper: 7% Segmentblende

Ebene1

Messebenen

Ebene2 Ebene3

Abstand zur Blende: 1,5 D 13 D 25 D 50 D

0,12 m 1,12 m 2,12 m 4,12 m

82,5 mm

Stereo PIV-System

D = 82,5 mm (Rohrdurchmesser )

= 2,5 m/s (Volumetrische Strömungsgeschwindigkeit)

Q = 48,11 m³/h (Durchfluss)

T = 20 °C (Wassertemperatur)

Re = 205000 (Reynoldszahl)

Ebene4

80 mm

70 mm

Rohrgeometrie

7 mm DIN-EN-14154-3

volw



Messergebnisse vs. RANS-Simulationen

Messung

Simulation

13 D 1,5 D 25 D 50 D

normw

13 D

(k-ω-Modell) (k-ԑ-Modell)



Messergebnisse vs. DES u. RANS-Simulationen

kω-Modell DES-Modell

Simulationen Messung

Ebene 2: 13 D hinter der Störung



Messergebnisse vs. DES u. RANS-Simulationen

D D

Messung - Simulation

dxww sm

Rohrquerschnitt

Fehlerberechnung:

DES

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