Fachbereich Maschinenbau
und Verfahrenstechnik
HSDHochschule Düsseldorf
University of Applied Sciences
ISAVEInstitute of Sound and Vibration
Engineering
Kolloquium
Strömungstechnische
Optimierung des neuen
Akustikwindkanals am
Campus Derendorf mittels
CFD
Bearbeiterin: Pia Hesselbach, B.Eng. (555436)
Erstprüfer: Prof. Dr. Matthias Neef 27.04.2016
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AGENDA
1. Aufbau und Funktionsweise eines Windkanals
2. Ausgangssituation
3. Zielsetzung
4. Auslegung des Radialventilators
5. Gestaltung einzelner Windkanalkomponenten
• Düse
• Umlenkschaufeln
6. Auswertung der numerischen Strömungssimulation
7. Ausstehende Validierung
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AUFBAU UND FUNKTIONSWEISE EINES WINDKANALS
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• Vermessung und Untersuchung von aerodynamischen und
aeroakustischen Eigenschaften von Objekten (z.B. Fahrzeugen,
Flugzeugen)
• Untersucht werden u. a. Strömungsverhalten, Luftwiderstand,
dynamische Auftrieb und Druckverteilung
[Wagner]
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AGENDA
1. Aufbau und Funktionsweise eines Windkanals
2. Ausgangssituation
3. Zielsetzung
4. Auslegung des Radialventilators
5. Gestaltung einzelner Windkanalkomponenten
• Düse
• Umlenkschaufeln
6. Auswertung der numerischen Strömungssimulation
7. Ausstehende Validierung
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AUSGANGSSITUATION
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• Fa. Dingler
• Baujahr 1968
• Windkanal der Göttinger Bauart
• Niedergeschwindigkeits-Windkanal mit offener Messtrecke
Umlenkung durch gebogene, nicht-profilierte Metallplatten herbeigeführt
Windkanal in sog. liegender Position betrieben
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AUSGANGSSITUATION
vorhandener
WindkanalDüsendurchmesser 600 mm (rund)
Kontraktionsverhältnis 4,98
max. Messstreckenlänge 1200 mm
max. Strömungsgeschwindigkeit 50 m/s
max. Volumenstrom 14,1 m3/s
Gebläse einstufiges Axialgebläse, drehzahlgeregelt
Antriebsmotor Gleichstrommotor 23 kW,
2000 min-1
(max.)
Messtechnik Dreikomponenten-Waage (Firma. Pfister)
1100 Pa bei 50 m/smax. Totaldruckerhöhung
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AGENDA
1. Aufbau und Funktionsweise eines Windkanals
2. Ausgangssituation
3. Zielsetzung
4. Auslegung des Radialventilators
5. Gestaltung einzelner Windkanalkomponenten
• Düse
• Umlenkschaufeln
6. Auswertung der numerischen Strömungssimulation
7. Ausstehende Validierung
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ZIELSETZUNG
Auslegung eines strömungstechnisch optimierten Akustikwindkanals im
Zuge des Neubaus Campus Derendorf
Gründe:
• Vorhandener Windkanal unter technologischen Gesichtspunkten
hinsichtlich Effizienz und Präzision nicht mehr zeitgemäß
durch profilierte Umlenkschaufeln lassen sich geringere Strömungsverluste
und bessere Strömungsführung erreichen
optimierte Düsenkontur sorgt für konstante Geschwindigkeit am
Düsenaustritt und gleicht Unförmigkeiten im Strömungsprofil aus
durch effizienteres Gebläse im optimalen Betriebspunkt kann ein
Wirkungsgrad von bis zu 87% erreicht werden
• Zukünftiges Einsatzgebiet u. a. akustische Messungen
derzeit bei Volllastbetrieb nur mit Gehörschutz
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Erdgeschoss
ZIELSETZUNGVERGLEICH BEIDER VARIANTEN
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NEU:
rechteckige Düse
besser für CFD Netze
Radialventilator
[Wagner]
Untergeschoss
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ZIELSETZUNG
vorhandener
Windkanal
neuer
WindkanalDüsendurchmesser 600 mm (rund) 532 x 532 mm (recheckig)
Kontraktionsverhältnis 4,98 6
max. Messstreckenlänge 1200 mm 1200 mm
max. Strömungsgeschwindigkeit 50 m/s 50 m/s
1400 Pa bei 50 m/s
(geschlossener Betrieb)
2700 Pa bei 30 m/s
(Freistrahlkonzept)
max. Volumenstrom 14,1 m3/s 18,03 m
3/s
Gebläse Einstufiges Axialgebläse,
drehzahlgeregelt
Radialventilator
Messtechnik Dreikomponenten-Waage
(Firma. Pfister)
Dreikomponenten-Waage
(Firma. Pfister)
1100 Pa bei 50 m/smax. Totaldruckerhöhung
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AGENDA
1. Aufbau und Funktionsweise eines Windkanals
2. Ausgangssituation
3. Zielsetzung
4. Auslegung des Radialventilators
5. Gestaltung einzelner Windkanalkomponenten
• Düse
• Umlenkschaufeln
6. Auswertung der numerischen Strömungssimulation
7. Ausstehende Validierung
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AUSLEGUNG DES RADIALVENTILATORS
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Auslegung nach folgenden
Eingabeparameter
Zur Auslegung und Dimensionierung des Radialventilators stand das
hausinterne CAE-Programm zur Verfügung.
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AGENDA
1. Aufbau und Funktionsweise eines Windkanals
2. Ausgangssituation
3. Zielsetzung
4. Auslegung des Radialventilators
5. Gestaltung einzelner Windkanalkomponenten
• Düse
• Umlenkschaufeln
6. Auswertung der numerischen Strömungssimulation
7. Ausstehende Validierung
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GESTALTUNG DÜSE
Folgende Parameter aus Konzeptstudie und Ausschreibung vorgegeben:
• Kontraktionsverhältnis 𝜅 = 6
• rechteckige Düsenform
• Düsenaustrittsbreite = 532 mm
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GESTALTUNG DÜSE
Berechnung zur Düsenkontur
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Geometrische Eigenschaften der Düse um ein gleichförmiges
Geschwindigkeitsprofil mit niedrigen Turbulenzen zu erreichen:
das Kontraktionsverhältnis , (aeroakustischen Windkanal = 5,5 ... 6,0. [Hucho, 2005])
𝜅 =𝐴𝐷ü𝑠𝑒𝑛𝑒𝑖𝑛𝑡𝑟𝑖𝑡𝑡𝐴𝐷ü𝑠𝑒𝑛𝑎𝑢𝑠𝑡𝑟𝑖𝑡𝑡
⇒ 𝑟2 = 𝜅 ∙ 𝑟12 = 6 ∙ 523𝑚𝑚2 = 651,65𝑚𝑚
die Düsenkontur
𝑟−𝑟1
𝑟2−𝑟1=
𝑥
𝐿
32 −
𝑥
𝐿
3nach C. Schreck und R. Wille (1963)
Randbedingungen
αmax ≤ 43° und L ≥ 2,5 ∙ r2 − r1
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GESTALTUNG UMLENKSCHAUFELN
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… turbulente Strömung!
[Schade]
[Eck][Wagner]
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AGENDA
1. Aufbau und Funktionsweise eines Windkanals
2. Ausgangssituation
3. Zielsetzunh
4. Auslegung des Radialventilators
5. Gestaltung einzelner Windkanalkomponenten
• Düse
• Umlenkschaufeln
6. Auswertung der numerischen Strömungssimulation
7. Ausstehende Validierung
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AUSWERTUNG DER NUM. STRÖMUNGSSIMULATION
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numerische Untersuchungen
Geometrieerzeugung des Windkanals mit Inventor
Vernetzung einzelnen Komponenten
CFD Berechnung mit ANSYS CFX
Aufzeigen der Strömungstopologie anhand von:
- Vektorplots - Stromlinien - Konturplots
Monitoring von Wirbelstrukturen durch das Q-Kriterium
Darstellung von Druckschwankungen
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AUSWERTUNG DER NUM. STRÖMUNGSSIMULATION
Vorstudie
Bereich: Messstrecke
Düse ohne Flansch /
Kollektor mit Wulst
Düse mit Flansch /
Kollektor (rund)
Düse ohne Flansch /
Kollektor (rund)
Hauptstudie
Bereich: Gesamter Windkanal
Analyse 1:
Form der Umlenkschaufeln nach [Wagner]
Analyse 2:
Anzahl und Form der Umlenkschaufeln angepasst
Analyse 3:
Einbauten im Diffusors
Unterteilter Simulationsbereich
Analyse 4:
Form der Umlenkschaufeln angepasst
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SIMULATIONSERGEBNISSEGESAMTER WINDKANAL
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Analyse 1Timestep=1002
Messstrecke
Umlenkecke 4Umlenkecke 1
Umlenkecke 2
Diffusor
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SIMULATIONSERGEBNISSEMESSSTRECKE, GESCHWINDIGKEIT, VEKTORPLOT
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Analyse 1 Analyse 2 Analyse 4
Düsenaustritt 62,9 63,0 63,2
Freistrahl nach 1/3 des Düsenaustritt 44,4 44,4 44,4
Freistrahl nach 2/3 des Düsenaustritt 32,3 32,2 32,2
Eintritt Auffangtrichter 28,3 28,4 28,3
Messstellemittlere Geschwindigkeit [m/s]
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Simulationsergebnisse am Beispiel der
Umlenkecke 1
SIMULATIONSERGEBNISSEUMLENKECKE 1, GESCHWINDIGKEIT, STROMLINIE
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Timestep=1261Timestep=1002
Timestep=1200Timestep=1175
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SIMULATIONSERGEBNISSEUMLENKECKE 1, DRUCK, KONTURPLOT
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Ecke
4 E
intr
itt
Ecke
4 A
ust
ritt
del
ta_
p E
cke
4
Ecke
1 E
intr
itt
Ecke
1 A
ust
ritt
del
ta_
p E
cke
1
Ecke
2 E
intr
itt
Ecke
2 A
ust
ritt
del
ta_
p E
cke
2Analyse Nr. 1 3078,0 3066,5 11,5 1826,8 1655,8 171,0 1653,9 1579,0 74,9
Analyse Nr. 2 3052,7 3046,9 5,8 1824,1 1747,3 76,8 1714,5 1662,8 51,7
Analyse Nr. 4 3064,5 3048,7 15,8 1818,0 1738,1 79,9 1680,7 1636,0 44,7
Totaldruck
[Pa]
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Simulationsergebnisse am Beispiel
des Diffusors und der Umlenkecke 4
SIMULATIONSERGEBNISSEDIFFUSOR, GESCHWINDIGKEIT, STROMLINIE
Endgültige Geometrie
(Analyse 4)
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Timestep=1200
> 8°
Timestep=1002
1. Simulationsgeometrie
(Analyse 1)
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SIMULATIONSERGEBNISSEGESAMTER WINDKANAL, GESCHWINDIGKEIT, STROMLINIE
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Analyse 1Timestep=1002
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SIMULATIONSERGEBNISSEGESAMTER WINDKANAL, GESCHWINDIGKEIT, STROMLINIE
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Analyse 4Timestep=1200
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SIMULATIONSERGEBNISSEGESAMTER WINDKANAL, DRUCK, KONTURPLOT
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∆𝑝 = 1513,6 𝑃𝑎
Zur Erinnerung:
max. Druckverluste bei 50 m/s (geschlossener Betrieb) => 1400 Pa
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SIMULATIONSERGEBNISSEGESAMTER WINDKANAL, WIRBELSTRUKTUR
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SIMULATIONSERGEBNISSEFAZIT
• Ablösefreie und gleichmäßige Durchströmung des
Windkanals und der Messstrecke
• max. Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der Messstrecke
von 50 m/s
• Totaldruckverlust von 1400 Pa annähernd erreicht
• Akustische Messungen möglich
• durch Schallschutzmaßnahmen wie Kulissenschalldämpfer und
Lochblechverkleidung der Kanalwand
• durch räumliche Trennung
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AGENDA
1. Aufbau und Funktionsweise eines Windkanals
2. Ausgangssituation
3. Zielsetzung
4. Auslegung des Radialventilators
5. Gestaltung einzelner Windkanalkomponenten
• Düse
• Umlenkschaufeln
6. Auswertung der numerischen Strömungssimulation
7. Ausstehende Validierung
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AUSSTEHENDE VALIDIERUNG
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Weitere Simulationen
• mit neuem Ausgangsprofil des Radialventilators
• mit höherer Rohrrauigkeit => höherer Druckverlust
• Betrachtung des Freistrahlkonzeptes
Im Betrieb
• bei Auftreten von Verwirbelungen => Beruhigungskammer mit Einbauten (Gleichrichter, Siebe) versehen
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LITERATUR
[Eck] Eck, Bruno (1991): Technische Strömungslehre. Band 2: Anwendungen.
9., überarb. Aufl. Berlin: Springer.
[Schade] Schade, Heinz; Kunz, Ewald; Kameier, Frank; Paschereit, Christian
Oliver (2013): Strömungslehre. 4., neu bearb. Aufl. Berlin, Boston,
Mass.: De Gruyter (De-Gruyter-Studium).
[Wagner] Wagner, Stefan (2010): Konzeptstudie eines leisen Windkanals unter
Berücksichtigung eines Radialventilatorantriebs. Master-Thesis. FH
Düsseldorf, Düsseldorf. Institute of Sound and Vibration Engineering.
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Josef-Gockeln-Straße 9
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Vielen Dank
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