Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL5/ Nr.1 SoSe14
Frank KameierStrömungstechnik II
5. Vorlesung - Volumenstromessverfahren
• Strömungsgeschwindigkeitsmessung - Prandtlsches Staurohr
- Anemometer (Halbschalen / Ultraschall) • Integrale Messverfahren zur Volumenstrombestimmung:
- Ultraschallverfahren - Einlaufdüse (Wirbelfadendüse)- Blende- Venturidüse- Wirbelfrequenzzähler
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL5/ Nr.2 SoSe14
Beispiel: Prandtlsches Staurohr
2
cp
2
cp 222
211
0
31 ppp
121
pp2c
2 =Staupunkt (c=0)
inkompressibel
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL5/ Nr.3 SoSe14
Druckverlauf entlang des Prandtlschen Staurohrs
aus: Schade/Kunz/Kameier/Paschereit, 2013
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL5/ Nr.4 SoSe14
Prandtlsches Staurohr in kompressibler Strömung
aus: Schade/Kunz, 2013.
kompressibel
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL5/ Nr.5 SoSe14
AdcV
2
0
R
0
ddrrdA
R
0
drr)r(c2V
[m] [m/s]Radius c(r)
1 0.00000 19.58 0.000901172 0.00383 19.53 0.002684843 0.00766 19.31 0.004445934 0.01149 19.28 0.005777515 0.01532 16.54 0.003635316 0.01915 0.99 0.000250937 0.02298 0 08 0.017696 q_v [m^3/s]
10.67 c[m/s]
32681.8 Reynolds-Zahl"=turbulente Strömung da >3000"
0
5
10
15
20
25
0.00000 0.00500 0.01000 0.01500 0.02000 0.02500
Radius [m]
Str
öm
un
gsg
esch
win
dig
keit
[m
/s]
Reihe1
geschwindigkeitsprofil181002.xls
Volumenstromberechnung aus einem Geschwindigkeitsprofil (kreisrundes Rohr)
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL5/ Nr.6 SoSe14
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045
Radius [m]
Str
öm
un
gsg
esch
w. [
m/s
]
GS falsch links
GS_falsch_rechts
GS-Dicke sinvoll links
GS-Dicke sinnvoll rechts
Volumenstromberechnung und Grenzschichteinfluss
siehe: rohrprofil_grenzschichteinfluss050108.xls
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Volumenstromberechnung und Grenzschichteinfluss
siehe: rohrprofil_grenzschichteinfluss050108.xls
links [m] [m/s] [m^3/s] [m] [m/s] [m^3/s]Radius c(r) q_v Radius c(r) q_v
1 0,000 6,5 0,00052 1 0,0000 6,5 0,000522 0,005 6,8 0,00159 2 0,0050 6,8 0,001593 0,010 6,7 0,00239 3 0,0100 6,7 0,002394 0,015 5,4 0,00297 4 0,0150 5,4 0,002975 0,020 5,4 0,00371 5 0,0200 5,4 0,003716 0,025 5,1 0,00438 6 0,0250 5,1 0,004387 0,030 5,0 0,00448 7 0,0300 5,0 0,004008 0,035 3,8 0,00222 8 0,0345 3,8 0,00021 Grenzschichtdicke 1 mm9 0,040 0 0 9 0,0350 0 0
Volumenstrom: 0,022265 q_v [m^3/s] Volumenstrom: 0,019768 q_v [m^3/s]mittlere Geschw.: 4,43 c[m/s] FALSCH mittlere Geschw.: 5,14 c[m/s]
rechts [m] [m/s] [m^3/s] rechts [m] [m/s] [m^3/s]Radius c(r) q_v Radius c(r) q_v
1 0,000 6,5 0,00049 1 0,0000 6,5 0,000492 0,005 6,0 0,00136 2 0,0050 6,0 0,001363 0,010 5,5 0,00217 3 0,0100 5,5 0,002174 0,015 5,6 0,00304 4 0,0150 5,6 0,003045 0,020 5,5 0,00380 5 0,0200 5,5 0,003806 0,025 5,2 0,00439 6 0,0250 5,2 0,004397 0,030 4,9 0,00285 7 0,0300 4,9 0,002548 0,035 0,6 0,00037 8 0,0345 0,6 0,000039 0,040 0 0 9 0,0350 0 0
Volumenstrom: 0,018472 q_v [m^3/s] Volumenstrom: 0,017829 q_v [m^3/s]mittlere Geschw.: 3,67 c[m/s] 4,05 m/s mittlere Geschw.: 4,63 c[m/s] 4,9 m/s
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL5/ Nr.8 SoSe14
„Deutsche“ Bauart: Grundform Halbkugel
Hersteller: Thies Clima
„Dänische“ Bauart: Grundform Kegel
Hersteller: Vektor
Halbschalen- und Ultraschallanemometer z.B. für den Einsatz an Windkraftanlagen.
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL5/ Nr.9 SoSe14
Berechnung des Turbulenzgrades aus der Standardabweichung der Messwerte:
n
1i
2i cc
1n
1c
Tu
Akustische Strömungsmessung: Ultraschallanemometer
Laufzeitanalyse
c
cll
l
a
Empfänger
Sender
c
Anwendung: Turbulenzmessung, Meteorologie, Windenergienutzung
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL5/ Nr.10 SoSe14
Einwirkung einer turbulenten Anströmung(Turbulenzgrad ca.: 6 %)
-10
-5
0
5
10
15
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
c in m/s
Ab
we
ich
un
g in
%
Friedrichs WTGMT 156
Thies WTGMT 280
Thies FH D
Ultraschall METEK
Thies WTGMT282
Friedrichs WTGMT 080_6
Vector WTGMT 501
Young Model 12102
Met One
Einwirkung einer turbulenten Anströmung(Turbulenzgrad ca.: 6 %)
-10
-5
0
5
10
15
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
c in m/s
Ab
we
ich
un
g in
%
Friedrichs WTGMT 156
Thies WTGMT 280
Thies FH D
Ultraschall METEK
Thies WTGMT282
Friedrichs WTGMT 080_6
Vector WTGMT 501
Young Model 12102
Met One
http://ifs.muv.fh-duesseldorf.de/Veroeffentlichungen/veroeffentlichung_lackmann_deiss.pdf
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL5/ Nr.11 SoSe14
Ablösung an einer umströmten Kugel:laminare Grenzschicht turbulente Grenzschicht
Totwasser Totwasser
U
U
A
A
A
A
SS
120°
80°U Uoo oo
Bild 5 : Kugelströmung bei laminarer und bei turbulenter Grenzschicht.
Laminare Grenzschicht von S bis A Laminare Grenzschicht von S bis U Turbulente Grenzschicht von U bis A
S Staupunkt A Ablösung
U Umschlag von laminarer in turbulente Grenzschicht
Re < Re Re > Re Kugel kritisch Kugel kritisch
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL5/ Nr.12 SoSe14
Vergleich Halbkugel Kegelstumpf
{Ablösebereich 10° fester Ablösepunkt
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL5/ Nr.13 SoSe14
Akustische Strömungsmessung: SODAR
Anwendung: Geschwindigkeits- und Turbulenzprofile, Meteorologie, Windenergienutzung
Analyse der Dopplerfrequenz
ac
1ff 01
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL5/ Nr.14 SoSe14
Akustische Strömungsmessung: SODAR
Geschwindigkeitsprofil
Offshore Messungen (Nov. 2001)(Frequenzen zwischen 1500 und 3000 Hz)
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL5/ Nr.15 SoSe14
Volumenstrombestimmung mittels Ultraschall bei stark gestörten Strömungsprofilen
UltraschallDurchflussmessung von Fluiden mit DrosselgerätenDIN EN ISO 5167 Teil 3 (1998)
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL5/ Nr.16 SoSe14
Volumenstrombestimmung mittels Ultraschall:Geschwindigkeitsprofil stromab eines Saugkastens
-200 -100 0 100 200
0
5
10
15
20
25
Geschwindigkeitsprofil 0° mit Saugkasten, =0,087, =1,09, n=1600 U/min
Ultraschall Hitzdraht Blende
c[m
/s]
r[mm]
-150
-100
-50
0
50
100
150
-150-100-50050100150
05
10
15
20
25
c [m
/s]
Y [mm]
X [m
m]
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL5/ Nr.17 SoSe14
l
a
Empfänger
Sender
c
c
cll
Volumenstrombestimmung mittels Ultraschall –Laufzeitdifferenzverfahren
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL5/ Nr.18 SoSe14
Volumenstrombestimmung mittels Ultraschall bei stark gestörten Strömungsprofilen
Aufbau 1 Aufbau 2
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL5/ Nr.19 SoSe14
Volumenstrombestimmung mittels Ultraschall – Laufzeitdifferenzverfahren
a
l2
c²a
al2ttt
2II
II2II
II c²a
l2
c²a
cl2ttt
a
cII
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL5/ Nr.20 SoSe14
Saugkasten – 200mm langes Rohr - Ultraschallaufnehmer (Aufbau II) qv=2,8m³/s
0 90 180 270 36016
18
20
22
24
26
28
30
32
Mittelwerte
c_Bl.c_Ultra.
c [m
/s]
Saugkastenposition [°]
0 90 180 270 3600
10
20
30
40
MittelwertF
ehle
r [%
]
Saugkastenposition [°]
Volumenstrombestimmung mittels Ultraschall – Messgenauigkeit
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL5/ Nr.21 SoSe14
Unter welchen Rahmenbedingungen funktioniert das Ultraschallmessverfahren mit hoher Genauigkeit:
- einzelne Messpfade dürfen keine exponierten Werte ermitteln,
- Anzahl der Messpfade muss in Relation zur Störung genügend groß sein,
- Messung besser unmittelbar stromauf von Einbauten.
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL5/ Nr.22 SoSe14
-0.25 -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.250
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
y[m]
u[m
/s]
Geschwindigkeitsprofil einer Wirbelfadendüse
!Wirbelfadenduesegamma=1L=1y=linspace(-0.25,0.25)u=gamma.*L./(pi*(L^2-y.^2))plot(y,u)axis([-0.3,0.3,0,0.4])xlabel('y[m]');ylabel('u[m/s]')
22 yLL
u
Welche Einheit hat die Wirbelstärke ?
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL5/ Nr.23 SoSe14
Druckentnahme
Einlaufdüse (Wirbelfadendüse) (DIN EN ISO 5167)
1
1
21
2 p
2
cp
2
c
mit 0c
p
2AcAV Rohr1Rohr 97,0hier
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL5/ Nr.24 SoSe14
Einlaufdüse (Wirbelfadendüse) (DIN EN ISO 5167)
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL5/ Nr.25 SoSe14
Einlaufdüse (FLT-Düse) (DIN EN ISO 5167)
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL5/ Nr.26 SoSe14
Einlaufdüse – Airmeter für Flugzeugtriebwerke
Airmeter – Einlaufdüse zur Massenstrombestimmung eines Flugtriebwerks, Quelle: Mitarbeiterzeitung BMW Rolls-Royce, Dahlewitz, 1997.
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL5/ Nr.27 SoSe14
Messblende – DIN EN ISO 5167
Durchflussmessung von Fluiden mit Drosselgeräten in voll durchströmten Leitungen mit Kreisquerschnitt - Teil 2: Blenden, Ausgabe 01-2004
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL5/ Nr.28 SoSe14
Messblende – DIN EN ISO 5167 - inkompressibel
p2
d4ß1
CV
1
2
4
AD
d
3,0
D
65,3
8,0
D
7,0
D
682
AA
A
Re
10
Re
190000063,00188,0
Re
10000521,0216,00261,05961,0C
eine Messgröße - (Differenzdruck)
[ m3/s ]
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL5/ Nr.29 SoSe14
Messblende – DIN EN ISO 5167 - kompressibel
[ m3/s ]
[ kg/s ] p2d41
Cq 1
214m
qC
d pv
1 4
24 1
2
1
1
1
284
p
p193,0256,0351,01
1Blendedervor1 ppp Isentropenexponent für Luft 14,
zwei Messgrößen
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL5/ Nr.30 SoSe14
blende_din_en_iso5167_030604.xls
Erforderlich ist ein turbulentes Rohrströmungsprofil mit Re16000 2
(hier: =0.8 Re>10205)
Messblende – DIN EN ISO 5167 - kompressibel
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL5/ Nr.31 SoSe14
Venturirohr
Ansicht von hinten (Blick stromauf)
statische Druckmessung an 4 Umfangspositionen (pVenturi)
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL5/ Nr.32 SoSe14
Venturirohr
.Vent2
4V p2
d41
CqV
C = 0,9858 – 0,196 ß4,5
Ansicht von hinten (Blick stromauf)
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL5/ Nr.33 SoSe14
Wirbelfrequenzzähler
Wirbel-Zähler VORTY - Wirbelablösung an einem trapezförmigen Prallkörper
c
h/m4300ˆHz5,347:hier 3
Karmansche Wirbelstraße hinter einemumströmten Zylinder, vgl. Feynman (1974).
Kleine Durchsätze können nicht gemessen werden:
Remin 140000 (Herstellerangabe 20000) cmin 13 m/s (Herstellerangabe 1,9 m/s)
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL5/ Nr.34 SoSe14
Wirbelfrequenzzähler – Anwendung Brennwertheizgerät
aus: HLH 2/2008