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Vergleich realer und synthetisch generierter Strömungszustände in Rohrleitungen mittels numerischer und laseroptischer Verfahren

Straka, Martin

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.
Non-ideal (disturbed) flow conditions can have a significant impact on the measurement uncertainty of flow meters. In the case of utility meters, compliance with specified error limits under disturbed flow conditions must therefore be demonstrated as part of the type approval process. Assuming that valves and other displaceable system components can be avoided, disturbed flow conditions are in reality mainly caused by pipe fittings allowing a change of direction such as 90°- and double bends. As test setups with real bend configurations are difficult to implement at most flow facilities, the standards for water and heat meters rely on a synthetic replication by means of so-called disturbance generators. In the interests of consumer protection and to prevent market distortions, it is important that these disturbance generators adequately reproduce the realistic flow conditions. However, the assumed comparability with 90°- and double bends cannot be proven on the basis of the available literature. The aim of this work is therefore to enable an evaluation and optimization of the standardized flow tests based on a comparative analysis of the flow conditions. This includes the emulation of double bends with the asymmetric swirl generator (ASG) as well as the emulation of 90°- bends with different orifice plates. In the case of the ASG, that also aims at specifying implementation provisions for the revision of the flow test in the heat meter standard. In addition to a qualitative description, the comparability is established by means of performance indicators and modelled flow meters determined through laser Doppler anemometry measurements and flow simulations with hybrid turbulence models. For the new heat meter flow test, an optimized geometry for the ASG with a segment height of 0.165 times the pipe diameter (D) could be determined. A maximum degree of resemblance with the near-field flow conditions of the double bend was found 7 D downstream of the ASG, at which the real disturbance is reproduced at approx. 5 D. In addition, a number of four relative angular orientations between the disturbance generator and the meter under test was determined to account for the angular dependency of commonly used flow meters. As a consequence, the averaged value of the detected measurement error in the test can be increased to approx. 90 % of the maximum possible error. Regarding the emulation of 90°- bends, it was demonstrated that the segmental orifice plate of the water meter standards with a segment area (A) of 7 % is unsuitable as a disturbance generator. With A = 33 %, a good agreement with the 90°- bend could be determined in the range between 10 D and 20 D, whereas the flow development in the near field was found to be fundamentally different. The experimental investigations were supplemented by an inclusion of different geometry parameters using computational fluid dynamics. Here, the double bend in particular showed large differences with respect to the downstream flow characteristics. An exact replication is therefore not possible with a single disturbance generator. By using a convex orifice shape, the rotational velocity of the Dean vortices could be significantly increased compared to the orifice plate with AB 33 %. However, the intensity of the axial profile deformation downstream of the 90°- bend in the range up to approx. 5 D could not be reproduced. Consequently, this requires a disturbance generator that generates vortices rotating in the opposite direction. In modelling the flow conditions, best results were obtained with the hybrid stress-blended eddy simulation (SBES) turbulence model. A new blending function for the transition between LES and RANS was developed. Furthermore, the SBES setup was adapted in terms of simulation and model parameters to represent disturbed pipe flows. A comparison with the industry standard RANS made it clear that the overestimation of the size of recirculation zones and the delayed decay of the disturbances lead to inadequate predictions for pipe flows. There is an urgent need for action for the water meter standards, as their flow tests only provide critical flow conditions for swirl-sensitive meters. In the new heat meter test with the optimized ASG, the axial profile deformation downstream of bend configurations can already be emulated at a distance of approx. 5 D. Compared to the current test with the standardized swirl generator from the water meter standards, this represents a significant improvement. However, type approvals without a required straight pipe length of at least 5 D are not justifiable based on the current state of the investigations. As potential alternatives for a justified approval without a straight inlet section remain both tests with real disturbances and the addition of a disturbance generator that can preferably emulate the 90°- bend in the near field range.