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Numerische Strömungssimulationen in Verbindung mit Laser-Doppler-Velozimetrie-Messungen zur Bestimmung des Volumenstroms

Swienty, Andreas

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 rotations-symmetrische 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 Simulations-ergebnisses 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.
At an on-site calibration of flowmeters by means of laser Doppler velocimetry, disturbed, non-rotationally symmetric flow profiles lead to an increased measurement uncertainty. The measurement of discrete flow velocities along a single path through the pipe axis and subsequent integration of the measured values into a volume flow result in a higher measurement uncertainty than when the method is applied to rotationally symmetric profiles. On-site measurements of full velocity profiles due to lack of optical accessibility is not feasible. In this work, the path measurement is expanded to an entire flow profile by using numerical simulations of the flow. By integrating the velocity values of the complete flow profile, a reduction of the measurement uncertainty is achieved. The core of this work is the Reynolds averaged Navier Stokes simulation (RANS) of disturbed pipe flows and the comparison with measurements. Flows are simulated through various pipe fittings with practical relevance and compared with measurement results of flow profiles of the same geometries. Due to the variation of RANS turbulence models different deviations to the measurement result are calculated. Among the RANS turbulence models used, a Reynolds Stress model reliably simulated the flow with a deviation less than 7 %. In contrast, linear eddy viscosity models frequently used in the literature provided results with a deviation of up to 14 %. In addition, an interpolation method for connecting the existing path measurements and the simulation results is presented. By interpolating the simulation results with measurements on a path, e.g. from on-site measurements, the maximum deviation was reduced from 7 % to less than 4,5 %. With the findings on turbulence modeling and the combination of measurement and simulation data, it is demonstrated in an iterative procedure that the measurement uncertainty is reduced. The determination of the volume flow rate from the integrated velocity values of the interpolated simulation result reduces the uncertainty in the best case by 2/3 in comparison to the determination of the volume flow rate from the integration of the measurements on a path. On average, the uncertainty is reduced by half.
  • Die Print-Ausgabe dieser Dissertation erscheint im Verlag Mensch & Buch, ISBN 978-3-9672-9025-7