Nicht-ideale (gestörte) Strömungsbedingungen können die Messunsicherheit von Durchflusszählern signifikant beeinflussen. Bei Verbrauchszählern muss daher im Rahmen der Zulassung die Einhaltung festgelegter Fehlergrenzen unter gestörten Strömungsbedingungen nachgewiesen werden. Unter der Voraussetzung, dass sich Ventile und andere verschiebbare Anlagenkomponenten umgehen lassen, werden gestörte Strömungszustände in Rohrleitungssystemen hauptsächlich durch richtungsändernde Formstücke wie 90°- und Raumkrümmer verursacht. Tests mit realen Krümmern sind in der praktischen Umsetzung auf Prüfständen allerdings sehr umständlich. In den Normen für Wasser- und Wärmezähler wird daher auf die synthetische Nachbildung mit Hilfe von sogenannten Störkörpern gesetzt. Im Inter- esse des Verbraucherschutzes und zur Verhinderung von Marktverzerrungen ist es wichtig, dass Störkörper die reellen Strömungsbedingungen adäquat nachbilden. Die vorausgesetzte Vergleichbarkeit mit 90°- und Raumkrümmern kann jedoch auf Basis der vorliegenden Literatur nicht nachgewiesen werden. Das Ziel dieser Arbeit besteht daher darin, eine Bewertung und Optimierung der standardisierten Durchfluss-Tests durch eine vergleichende Analyse der Strömungsbedingungen zu ermöglichen. Dies beinhaltet die Nachbildung von Raumkrümmern mit dem asymmetrischen Drallgenerator (ASG) sowie die Nachbildung von 90°- Krümmern mit unterschiedlichen Blenden. Im Falle des ASG geht es dabei auch um konkrete Ausführungsbestimmungen für die Revision des Durchfluss-Tests in der Wärmezähler-Norm. Neben einer qualitativen Betrachtung wird die Vergleichbarkeit der Strömungszustände mit Kennzahlen und modellierten Durchflusszählern hergestellt. Diese werden anhand von Laser-Doppler-Anemometrie-Messungen und Strömungssimulationen mit hybriden Turbulenzmodellen bestimmt.
Für den neuen Durchfluss-Test der Wärmezähler auf Basis des ASG konnte eine optimierte Störkörper-Geometrie mit einer Segmenthöhe von 16,5 % des Rohrdurchmessers (D) ermittelt werden. Die größtmögliche Übereinstimmung mit den Strömungsbedingungen des Raumkrümmers im Nahfeld wurde 7 D stromabwärts des ASG festgestellt, wobei die reale Störung im Abstand von ca. 5 D nachgebildet wird. Darüber hinaus wurde eine Anzahl von vier relativen Winkelausrichtungen zwischen Störkörper und Prüfling bestimmt, um die Winkelabhängig gebräuchlicher Durchflusszähler zu berücksichtigen. Der im Durchfluss-Test ermittelte Messfehler kann dadurch durchschnittlich auf ca. 90 % des maximal möglichen Fehlers erhöht werden. Bezüglich der Nachbildung von 90°- Krümmern wurde nachgewiesen, dass die 7 % - Segmentblende der Wasserzähler-Normen als Störkörper ungeeignet ist. Die 33 % - Blende zeigte hin- gegen eine gute Übereinstimmung im Bereich zwischen 10 D und 20 D, zeichnete sich im Nahfeld jedoch durch eine grundlegend verschiedene Strömungsentwicklung aus. Mit Hilfe der numerischen Strömungsmechanik wurden die experimentellen Untersuchungen durch die Einbeziehung unterschiedlicher Geometrieparameter ergänzt. Hierbei zeigte insbesondere der Raumkrümmer große Unterschiede hinsichtlich der stromabwärts vorliegenden Strömungseigenschaf- ten. Durch eine konvexe Blendenform konnte die Rotationsgeschwindigkeit der Dean-Wirbel im Vergleich mit der 33 % - Blende deutlich erhöht werden, die Intensität der axialen Profilverformung des 90°- Krümmers im Bereich bis ca. 5 D allerdings nicht reproduziert werden. Dazu wird demnach ein Störkörper benötigt, dessen Wirbel in entgegengesetzter Richtung rotieren. Bei der Modellierung der Strömungszustände wurden die besten Ergebnisse mit dem hybriden Stress-Blended-Eddy-Simulationsmodell (SBES) erzielt. Für das Modell wurde eine neue Blending-Funktion im Übergangsbereich zwischen LES und RANS entwickelt. Des Weiteren wurde das numerische Setup hinsichtlich der Simulations- und Modellparameter für die Darstellung gestörter Rohrströmungen angepasst. Durch die Gegenüberstellung mit dem Industriestandard RANS konnte verdeutlicht werden, dass die Überschätzung der Größe von Ablösegebieten und das verzögerte Abklingen von Störungen mit RANS-Modellen zu unzureichenden Vorhersagen für Rohrströmungen führen.
Für die Wasserzähler-Normen besteht dringender Handlungsbedarf, da nur die für Drall empfindlichen Zähler im Durchfluss- Test einer für sie kritischen Strömungssituation ausgesetzt werden. Im neu entwickelten Test der Wärmezähler-Norm kann die axiale Profilverformung stromabwärts von Krümmer-Konfigurationen durch den optimierten ASG bereits im Abstand von ca. 5 D nachgebildet werden. Im Vergleich zum aktuellen Test mit dem Drallgenerator der Wasserzähler-Normen stellt dies eine erhebliche Verbesserung dar. Eine Zulassung ohne erforderliche gerade Ein- laufstrecke von mindestens 5 D ist allerdings nach dem aktuellen Stand nicht vertretbar. Als potenzielle Alternativen für eine gerechtfertigte Zulassung ohne gerade Einlaufstrecke bleiben sowohl Tests mit realen Störungen als auch die Erweiterung um einen Störkörper, der vorzugsweise den 90°- Krümmer im Nahfeld realistisch nachbildet.
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Zitierung
Straka, M. (2021). Vergleich realer und synthetisch generierter Strömungszustände in Rohrleitungen mittels numerischer und laseroptischer Verfahren [Dissertation, Technische Universität Berlin, 2021]. http://doi.org/10.14279/depositonce-12562
