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FH D Fachhochschule Düsseldorf Fachgebiet Strömungstechnik und Akustik

FH D Fachhochschule Düsseldorf Fachgebiet Strömungstechnik und Akustik. Frank Kameier. Strömungstechnik II (Teil 2) Eine Lehrveranstaltung für das 4. Semester des Studiengangs Prozess-, Energie-, und Umwelttechnik. Frank Kameier 2003.

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FH D Fachhochschule Düsseldorf Fachgebiet Strömungstechnik und Akustik

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Presentation Transcript

  1. FH DFachhochschule DüsseldorfFachgebiet Strömungstechnik und Akustik Frank Kameier Strömungstechnik II (Teil 2) Eine Lehrveranstaltung für das 4. Semester des Studiengangs Prozess-, Energie-, und Umwelttechnik Frank Kameier 2003

  2. FH DFachhochschule DüsseldorfFachgebiet Strömungstechnik und Akustik Berechnung von Strömungen Gleichungen Unbekannte Axiome Gültigkeit Differentialgleichungen Frank Kameier 2003

  3. FH DFachhochschule DüsseldorfFachgebiet Strömungstechnik und Akustik Massenerhaltung     Impulserhaltung, die Erhaltung des Drehimpulses, und die Energieerhaltung. Frank Kameier 2003

  4. FH DFachhochschule DüsseldorfFachgebiet Strömungstechnik und Akustik Gleichungen zur Berechnung von Strömungen Frank Kameier 2003

  5. FH DFachhochschule DüsseldorfFachgebiet Strömungstechnik und Akustik Kontinuitätsgleichung - Massenerhaltungssatz Strömungsgeschwindigkeit Dichte ideale Gasgleichung Frank Kameier 2003

  6. lokale Beschleunigung konvektive Beschleunigung FH DFachhochschule DüsseldorfFachgebiet Strömungstechnik und Akustik lokale und konvektive Beschleunigung - Ableitungen nach der Zeit substantielle Beschleunigung = nicht linear Frank Kameier 2003

  7. FH DFachhochschule DüsseldorfFachgebiet Strömungstechnik und Akustik 1 1 2 2 lokale Beschleunigung konvektive Beschleunigung nicht linear Frank Kameier 2003

  8. FH DFachhochschule DüsseldorfFachgebiet Strömungstechnik und Akustik Kalkül wird aufwendig für die Berechnung mehrdimensionaler Strömungen mit Abhängigkeit der Geschwindigkeit c von t, x, y Frank Kameier 2003

  9. „Deutsche“ Bauart: Grundform Halbkugel „Dänische“ Bauart: Grundform Kegel Hersteller: Thies Clima Hersteller: Vektor Halbschalen- und Ultraschallanemometer für den Einsatz an Windkraftanlagen. WINDTEST Grevenbroich GmbH Drehfrequenz ist proportional zu der Strömungsgeschwindigkeit. Kameier Juli 2002

  10. Ablösung an einer umströmten Kugel: laminare Grenzschicht turbulente Grenzschicht Kameier Juli 2002

  11. Vergleich Halbkugel Kegelstumpf Ablösebereich 10° fester Ablösepunkt { Kameier Juli 2002

  12. Vergleich unterschiedlicher Anemometer – Ultraschall - Halbschalen Kameier Juli 2002

  13. Berechnung des Turbulenzgrades aus der Standardabweichung  der Messwerte: Akustische Strömungsmessung: Ultraschallanemometer Laufzeitanalyse l Empfänger cll c  c a Sender Anwendung: Turbulenzmessung, Meteorologie, Windenergienutzung Kameier Juli 2002

  14. Vergleich unterschiedlicher Anemometer – Ultraschall - Halbschalen Kameier Juli 2002

  15. Vergleich unterschiedlicher Anemometer – Ultraschall - Halbschalen Kameier Juli 2002

  16. Vergleich unterschiedlicher Anemometer – Ultraschall - Halbschalen Kameier Juli 2002

  17. Einfluss der verwendeten Anemometer auf die Leistungskurven von WKA Kameier Juli 2002

  18. Akustische Strömungsmessung: SODAR Anwendung: Geschwindigkeits- und Turbulenzprofile, Meteorologie, Windenergienutzung Analyse der Dopplerfrequenz Kameier Juli 2002

  19. Akustische Strömungsmessung: SODAR Offshore Messungen (Nov. 2001) (Frequenzen zwischen 1500 und 3000 Hz) Geschwindigkeitsprofil Kameier Juli 2002

  20. Volumenstrombestimmung mittels Ultraschall bei stark gestörten Strömungsprofilen Ultraschall Durchflussmessung von Fluiden mit Drosselgeräten DIN EN ISO 5167 Teil 3 (1998) Kameier Juli 2002

  21. FH DFachhochschule DüsseldorfFachbereich 4 - Maschinenbau und Verfahrenstechnik Volumenstrombestimmung mittels Ultraschall: Geschwindigkeitsprofil stromab eines Saugkastens Frank Kameier Januar 2001

  22. l Empfänger c  a Sender Volumenstrombestimmung mittels Ultraschall –Laufzeitdifferenzverfahren cll c Kameier Juli 2002

  23. Volumenstrombestimmung mittels Ultraschall bei stark gestörten Strömungsprofilen Aufbau 1 Aufbau 2 Kameier Juli 2002

  24. Volumenstrombestimmung mittels Ultraschall –Laufzeitdifferenzverfahren a cII Kameier Juli 2002

  25. Rotation des Saugkastens -Abhängigkeit der Ultraschallwerte von der Zuströmrichtung 22 20 18 16 c [m/s] 14 Ultraschall Blende 12 10 0 45 90 135 180 225 270 315 360 Umfangswinkel [°] Aufbau I Kameier Juli 2002

  26. Saugkasten – 200mm langes Rohr - Ultraschallaufnehmer (Aufbau II) qv=2,8m³/s 32 40 30 c_Bl. c_Ultra. 28 30 26 Mittelwerte c [m/s] 24 Fehler [%] 20 22 Mittelwert 20 10 18 16 0 0 90 180 270 360 0 90 180 270 360 Saugkastenposition [°] Saugkastenposition [°] Kameier Juli 2002

  27. 0° - 45° - 90° - 135° 180° - 225° - 270° - 315° 40 40 c[m/s] 20 20 0 0 -200 -150 -100 -50 0 0 50 100 150 200 40 c[m/s] 20 0 -200 -150 -100 -50 0 40 c[m/s] 20 0 -200 -150 -100 -50 0 40 c[m/s] 20 0 -200 -150 -100 -50 0 r[mm] Hitzdrahtmessung des gestörten Rohrströmungsprofils 40 20 0 0 50 100 150 200 40 20 0 0 50 100 150 200 40 20 0 0 50 100 150 200 r[mm] Länge des Zwischenrohrs = 265 mm Länge des Zwischenrohrs = 165 mm Matlab-Interpolation aus 8 vermessenen Halbprofilen! Kameier Juli 2002

  28. Simulation der Rohrströmung mit Umlenkung Kameier Juli 2002

  29. Simulation der Strömung in der Ultraschallmessstrecke Messung • Mittelung entlang schräger Messpfade Rechnung Rechnung Messung Kameier Juli 2002

  30. FH DFachhochschule DüsseldorfFachgebiet Strömungstechnik und Akustik Bild 1.19: Aufwindkraftwerk in Manzanares Spanien, Turmhöhe 200m, Turm Ø 10 m, Kollektordach Ø 250 m, Leistung 50 kW, aus Hau, Windkraftanlagen 1997. Frank Kameier 2003

  31. FH DFachhochschule DüsseldorfFachgebiet Strömungstechnik und Akustik Bild 1.21: Windkraftanlagen – Rotoren mit vertikaler Drehachse, aus Hau, Windkraftanlagen 1997. Frank Kameier 2003

  32. FH DFachhochschule DüsseldorfFachgebiet Strömungstechnik und Akustik Darrieus-Windkraftanlage (H-Rotor), Ø 35 m, 300 kW, USA Darrieus-Windkraftanlage, Ø 19 m, 170 kW, Firma Flowind USA Frank Kameier 2003

  33. FH DFachhochschule DüsseldorfFachgebiet Strömungstechnik und Akustik Bild 1.22: Windkraftanlage mit Getriebe, aus Hau, Windkraftanlagen 1997. Frank Kameier 2003

  34. FH DFachhochschule DüsseldorfFachgebiet Strömungstechnik und Akustik Bild 1.16: Forschungsschiff Alcyone (Jacques-Yves Cousteau 1985) mit Flettner-Rotor als Segelantrieb, Quelle: Greenpeace. Frank Kameier 2003

  35. FH DFachhochschule DüsseldorfFachgebiet Strömungstechnik und Akustik Bild 1.24: Japanische Windenergieanlage zur Ausnutzung besonders niederiger Windgeschwindigkeiten (ab 2,5 m/s), Die Welt 29.04.99. Frank Kameier 2003

  36. FH DFachhochschule DüsseldorfFachgebiet Strömungstechnik und Akustik Bild 1.23: Konzept eines 350 kW Meeresströmungsgenerators, Erneuerbare Energien 5/2000. Frank Kameier 2003

  37. FH DFachhochschule DüsseldorfFachgebiet Strömungstechnik und Akustik Bild 1.13: 400 kW Wellenkraftwerk, Kvaerner Brug A.S., Oslo (1985), mit Wells-Turbine, die unabhängig von der Durchströmungsrichtung in die selbe Richtung rotiert. (Quelle: VDI 1985) oder www.itpower.co.uk/itpmarin.htm. Frank Kameier 2003

  38. FH DFachhochschule DüsseldorfFachgebiet Strömungstechnik und Akustik Wirbelschleppen - instationäre und turbulente Strömungen Quellen: WDR, Quarks, 6/1999, http://www.quarks.de/fliegen2/00.htm M.Schober, http://obiwan.pi.tu-berlin.de/M.Schober/wjallcases/acoustic.mpeg Frank Kameier 2003

  39. FH DFachhochschule DüsseldorfFachgebiet Strömungstechnik und Akustik Instationäre Aerodynamik  zeitliche Schwankungsgrößen Momentanwert=Mittelwert + Schwankungsgröße [ V ] [VDC] [VAC] Frank Kameier 2003

  40. FH DFachhochschule DüsseldorfFachgebiet Strömungstechnik und Akustik zeitliche Schwankungsgrößen allgemeine Rechenregeln Frank Kameier 2003

  41. FH DFachhochschule DüsseldorfFachgebiet Strömungstechnik und Akustik Beispiel: Prandtlsches Staurohr in turbulenter Strömung 0 Frank Kameier 2003

  42. FH DFachhochschule DüsseldorfFachgebiet Strömungstechnik und Akustik Reynoldsgleichung Impulssatz für inkompressible newtonsche Fluide (Navier-Stokes-Gleichung) Mittelwerte und Schwankungsgrößen Frank Kameier 2003

  43. 0 0 0 0 0 FH DFachhochschule DüsseldorfFachgebiet Strömungstechnik und Akustik Reynoldsgleichung zeitliche Mittelung der Gleichung Konti-Gl. und Produktregel rückwärts „turbulente“ Zähigkeit  Turbulenzmodelle etc. nicht lineare partielle Differentialgleichung mit Orts- und Zeitabhängigkeit Frank Kameier 2003

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