PUB - Einflussanalyse blasenhaltiger Flüssigkeiten auf die Dynamik hydraulischer Systeme

Inhalt

Autoren: Guse, Fabian; Schmitz, Katharina; Scheidl, Rudolf

An hydraulische Systeme und Komponenten werden immer höhere Anforderungen in Bezug auf Leistungsdichte, Flexibilität und Lebensdauer gestellt. Hinsichtlich des Betriebs gilt es dabei vor allem, die Gefahr von Resonanz zu reduzieren. Dabei können Druckschwingungen, die sich in fluidtechnischen Rohrleitungssystemen ausbreiten, zu Systemresonanz führen, was sich wiederum negativ auf die Steuerbarkeit und die Lebensdauer des Systems auswirkt. Um das Systemverhalten bereits während des Auslegungsprozesses beurteilen zu können, hat sich die Simulation als unverzichtbares Werkzeug etabliert. Eine akkurate Modellierung und Simulation von fluidtechnischen Systemen erfordert jedoch gute Kenntnisse über die Eigenschaften des Fluides und insbesondere ihrer Nachgiebigkeit oder Kompressibilität. Wenn ungelöste Luft in Form von Blasen vorhanden ist, müssen unter bestimmten Bedingungen neben den bekannten (quasi-)statischen Effekten auch dynamische Effekte bei der Analyse berücksichtigt werden. In dieser Arbeit wird ein Modell für die Kompressibilität einer mit Gasblasen beladenen Flüssigkeit unter Verwendung der Rayleigh-Plesset-Gleichung aufgestellt, welche die Blasendynamik beschreibt. Dabei zeigt sich, dass dynamische Effekte durch die Einführung eines mathematisch komplexwertigen Kompressionsmoduls berücksichtigt werden können. Dies impliziert, dass eine Druckänderung und eine damit einhergehende Änderung der Dichte des Gemisches nicht notwendigerweise simultan erfolgen müssen. Unter Verwendung des hergeleiteten Kompressionsmoduls im Frequenzbereich wird gezeigt, dass jede Blase im zweiphasigen Gemisch als Masse-Feder-Dämpfer-System modelliert werden kann, sodass jede Blase eine Eigenfrequenz und Dämpfungseigenschaften besitzt. Mit Hilfe der Vierpoltheorie wird die Auswirkung der Gemischdynamik auf ein Rohr gezeigt, wodurch die Notwendigkeit einer Verbesserung der derzeitigen Berechnungsmethoden demonstriert wird. Auf Basis der anschließend entwickelten Lösung im Zeitbereich können diese Effekte in moderne Simulationstools implementiert werden. Eine numerische Umsetzung des Modells wird zudem durch Implementierung in das Charakteristikenverfahren vorgestellt. Abschließend wird ein Versuchsaufbau präsentiert, der eine Validierung blasendynamischer Effekte auf Basis von zwei hierfür charakteristischen Phänomenen ermöglichen soll: Die Änderung der Schallgeschwindigkeit sowie der Dämpfung. Der Versuchsaufbau basiert auf einer Impulsanregung und einer harmonischen (sinusförmigen)Anregung. Die Blasen werden mit Hilfe eines Kapillarprinzips und einer parallelen Wasserströmung erzeugt. Es wird gezeigt, dass reale Blasenverteilungen durch eine logarithmische Normalverteilung akkurat wiedergegeben werden. Durch den Vergleich der Frequenzgänge eines zweiphasigen und eines einphasigen Fluids werden Auslöschungseffekte bestätigt, wodurch der dynamische Einfluss von Blasen in einer Flüssigkeit bewiesen wird.