Numerische Strömungssimulationen in Verbindung mit Laser-Doppler-Velozimetrie-Messungen zur Bestimmung des Volumenstroms
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Beschreibung
Bei der Vor-Ort-Kalibrierung (VOK) von Durchflussmessgeräten mittels Laser-Doppler-Velozimetrie tritt bei gestörten, nicht rotationssymmetrischen Strömungsprofilen eine erhöhte Messunsicherheit auf. Durch die verfahrensbedingte Messung von diskreten Strömungsgeschwindigkeiten auf nur einem Pfad durch die Rohrachse und einer anschließenden Integration der Messwerte zu einem Volumenstrom entsteht eine höhere Messunsicherheit als bei der Anwendung des Verfahrens auf rotationssymmetrische Profile. Vor Ort ist eine Messung des vollständigen Geschwindigkeitsprofils aufgrund mangelnder optischer Zugänglichkeit nicht realisierbar.
In dieser Arbeit wird durch numerische Simulationen der Strömung die Pfadmessung zu einem gesamten Strömungsprofil erweitert. Aus der Integration der Geschwindigkeitswerte des vollständigen Strömungsprofils wird eine Reduktion der Messunsicherheit erzielt.
Kernstück dieser Arbeit sind Reynolds-averaged Navier-Stokes-Simulationen (RANS) von gestörten Rohrströmungen und der Vergleich mit Messergebnissen. Es werden dabei Strömungen durch verschiedene praxisrelevante Rohreinbauten simuliert und mit Messergebnissen von Strömungsprofilen der gleichen Geometrien verglichen. Durch die Variation von RANS-Turbulenzmodellen werden unterschiedlich stark ausgeprägte Abweichungen zum Messergebnis berechnet. Unter den verwendeten RANS-Turbulenzmodellen berechnete ein Reynoldsspannungs-Modell die Strömung zuverlässig mit einer Abweichung kleiner 7 %. In der Literatur häufig verwendete lineare Wirbelviskositätsmodelle lieferten hingegen Ergebnisse mit einer Abweichung von bis zu 14 %.
Zusätzlich wird in der Arbeit ein Interpolationsverfahren zur Verbindung der vorhandenen Pfadmessungen und der Simulationsergebnisse vorgestellt. Durch die Interpolation der Simulationsergebnisse mit einem Messpfad, z. B. Messung aus der VOK, wurde die maximale Abweichung von zuvor 7 % auf kleiner 4,5 % reduziert.
Mit den Erkenntnissen zur Turbulenzmodellierung und Verbindung von Mess- und Simulationsdaten wird mit einem iterativen Verfahren belegt, dass die Messunsicherheit reduziert wird. Die Bestimmung des Volumenstroms aus den integrierten Geschwindigkeitswerten des interpolierten Simulationsergebnisses reduziert die Unsicherheit im besten Fall um 2/3 im Vergleich zur Bestimmung des Volumenstroms allein aus der Integration der Pfadmessung. Im Mittel wird die Unsicherheit um die Hälfte reduziert.
Autor*in
Andreas Swienty
Themen in »Numerische Strömungssimulationen in Verbindung mit Laser-Doppler-Velozimetrie-Messungen zur Bestimmung des Volumenstroms«
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