Charakteristikenkopplung

 

Entwicklung und Implementierung eines Rechenverfahrens zur Berücksichtigung ungelöster Luft für die Druckwellenausbreitung zur genaueren Evaluation von Resonanzfrequenzen in fluidtechnischen Systemen.

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Die simulative Druckschwingungsanalyse ist ein erprobtes Hilfsmittel, um die Resonanzfrequenzen in hydraulischen Leitungssystemen zu ermitteln, wobei es heute in der praktischen Anwendung bei Systemen mit niedrigen Betriebsdrücken immer noch zu deutlichen Abweichungen zwischen Simulation und realem System kommt.

Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines numerischen Verfahrens zur exakteren Berücksichtigung des im Druckmedium enthaltenen ungelösten Gases bei der Berechnung der Druckwellenausbreitungsgeschwindigkeit in fluidtechnischen Leitungssystemen.

Dabei soll insbesondere die Dynamik der im Fluid gelösten Blasen berücksichtigt werden, welche je nach Größe, Verteilung und Anregung einen entscheidenden Einfluss auf die Kompressibilität der Mischung haben.

 
Nutzen Vorgehen
Verbesserung der simulativen Druckschwingungsanalyse Neuformulierung des Kompressionsmoduls
Berücksichtigung der Blasendynamik

Anbindung der Blasendynamik an das Charakteristikenverfahren (MOC)

Vereinfachung der Vorauslegung fluidtechnischer Systeme

Implementierung einer Rechenroutine in DSHplus

Validierung am Prüfstand

 

Einfluss ungelöster Luft auf die Systemdynamik

Bild1 Urheberrecht: ifas

Die genaue Kenntnis der Resonanzfrequenzen eines fluidtechnischen Leitungssystems ist sowohl für die technische Funktionsweise also auch für die Dauerfestigkeit fluidtechnischer Systeme von entscheidender Bedeutung. Die simulative Druckschwingungsanalyse ist in diesem Kontext ein erprobtes Hilfsmittel, um die Resonanzfrequenzen in Leitungssystemen zu ermitteln. In der praktischen Anwendung der Druckschwingungsanalyse kommt es allerdings bei Systemen mit Betriebsdrücken unterhalb von 10 bar immer noch zu deutlichen Abweichungen zwischen Simulation und realem System. Bei niedrigen Betriebsdrücken hat insbesondere der Anteil des im Fluid enthaltenen ungelösten Gases einen großen Einfluss auf die Gemischkompressibilität, welche durch das Kompressionsmodul beschrieben wird. Während die druckabhängige Änderung des statischen Kompressionsmoduls seit Langem berücksichtigt wird, findet die dynamische Situation aufgrund im Fluid enthaltenen Blasen bislang keine Berücksichtigung. Dazu soll im Rahmen des Projektes erstmals die Blasendynamik betrachtet werden, indem zunächst die theoretischen Grundlagen zur Beschreibung des Ersatzkompressionsmoduls entwickelt werden. Anschließend soll ein adäquates Modell implementiert und in einem dafür entwickelten Prüfstand validiert werden.

 

Simulative Modellierung

Die Herausforderungen in der simulativen Modellierung bestehen in der Kopplung der bekannten Grundlagen einerseits und der (hochdynamischen) Blasendynamik andererseits, welche beispielsweise mit Hilfe der Rayleigh-Plesset-Gleichung – einer nichtlinearen partiellen Differentialgleichung zweiter Ordnung - beschrieben werden kann. Als Lösungsverfahren hat sich die Methode der Charakteristiken (MOC) bewährt, welche im Rahmen des Projektes ebenfalls angewendet wird.

Erste Ergebnisse verdeutlichen hier die numerischen Herausforderungen aufgrund der stark unterschiedlichen Zeitskalen und bestätigen einen großen Einfluss von Blasengröße und Blasenverteilung auf das Kompressionsmodul. Die Ergebnisse zeigen zudem die Abhängigkeit der Druckausbreitungsgeschwindigkeit von der Anregung der Fluidsäule, welche wiederum abhängig von der Wahl der Verdrängereinheiten ist, sodass bei der zukünftigen Vorauslegung von Rohrleitungssystemen genauere Modelle zu einer sicheren und effizienten Auslegung beitragen können.

 

Prüfstandsentwicklung zur Validierung

Bild2 Urheberrecht: ifas
 
 

Zwecks Validierung der zuvor erarbeiteten Grundlagen soll ein Prüfstand konzipiert und in Betrieb genommen werden. Dieser Prüfstand dient zur Ermittlung der Schallgeschwindigkeit und der Kompressibilität unter Einbringung von Blasen.

Wesentliche Herausforderungen stellen hier die gezielte Generation von Blasen ähnlicher Größe sowie die Auswertung hinsichtlich Blasengröße und –verteilung dar. Diese Parameter sind essentiell zur Parametrierung des bereits beschriebenen Simulationsmodells. Das hier verfolgte Kapillarkonzept mit gleichzeitiger Flüssigkeitszufuhr dient der akkuraten Blasengrößengeneration, wodurch auch Blasen geringeren Durchmessers erzeugt werden können. Der Doppelschockdruckimpulsgeber ermöglicht erstmals Aussagen zur dynamischen Situation bereits angeregter Blasen. Eine optische Erfassung der aufsteigenden Blasen soll schließlich Aufschluss über die Blasengrößenverteilung liefern.

 

Danksagung

Dieses Forschungsvorhaben wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM) als Kooperationsprojekt zwischen dem Institut für fluidtechnische Antriebe und Systeme (ifas) der RWTH Aachen und der FLUIDON GmbH gefördert. Dem Fördergeber sowie dem Kooperationspartner möchten wir für die Unterstützung danken.