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Numerische und experimentelle Untersuchung der instationären Strömungsfelder von Wirbelzählerkonfigurationen

Gedikli, Ali-Osman

In dieser Dissertation mit dem Titel „ Numerische und experimentelle Untersuchung der instationären Strömungsfelder von Wirbelzählerkonfigurationen“ geht es um die numerische Berechnung von Wirbelzählern, aber auch um die mathematische Erfassung von Strömungsstörungen mittels bestimmter K-Parameter. Diese Arbeit kann in zwei Hauptbereiche unterteilt werden. Im ersten Teil werden die instationären Strömungsfelder von Wirbelzählerkonfigurationen unter symmetrischen Zuströmbedingungen untersucht, wobei der Einfluss von geometrischen Modifikationen untersucht worden ist. Durch eine spezielle Bauform des Störkörpers können an der Grenzfläche zwischen Rohrwand und Störkörper eine bestimmte geometrische Modifikation wie z.B. eine Tasche oder Sockel entstehen, die das Strömungsfeld in einer gewissen Weise beeinflussen. Desweiteren sind Modelluntersuchungen durchgeführt worden, um bei den Berechnungen die richtigen Modellparameter zu identifizieren. Infolgedessen sind die kompressiblen und inkompressiblen Strömungsfelder von Wirbelzählern untersucht worden. Die numerischen Ergebnisse sind mittels experimentelle Messungen validiert worden. Auch der Einsatz von anderen Störkörperbauformen wie Gewindestörkörper wird hier numerisch und experimentell untersucht. Bei Betrachtung von industriellen Anlagen von heute wird festgestellt, dass die Rohrleitungssysteme kompakt und komplex aufgebaut sind. Eine Vielzahl von strömungstechnischen Anordnungen wie Kugelventile, halbe Absperrvorrichtungen aber auch Rohrkrümmer sind in solchen Anlagen vorzufinden, die das Strömungsfeld in einer gewissen Weise stören. Um die für die Produktion erforderliche Rohstoffmenge zu kontrollieren, ist der Einsatz von Durchflussmessgeräten in solchen Anlagen erforderlich, die mit einer hohen Messgenauigkeit operieren müssen. Aufgrund von Strömungsstörungen, die durch strömungstechnische Anordnungen verursacht werden, wird das Strömungsfeld von Wirbelzählern beeinflusst, so dass die Messunsicherheit größer wird. Folglich befasst sich der zweite Teil dieser Arbeit mit der mathematischen Erfassung bzw. Quantifizierung von Störungserscheinungen mittels in der Literatur existierender und im Rahmen dieser Arbeit neu entwickelter K-Parameter, die durch strömungstechnische Anordnungen wie Kugelventile, exzentrische Reduzier und andere Geräte verursacht werden. Zum Schluss wird der am häufigsten in technischen Anlagen eingesetze Rohrkrümmer mit einem DN 25 Wirbelzähler kombiniert und die Strömungsfelder hinsichtlich Störungen untersucht, was hier einen umfassenden Fall darstellt. Auch der Einfluss eines nachgeschalteten Rohrkrümmers auf die Wirbelablösefrequenz wird hier untersucht. Desweiteren wird eine nützliche Strömungsarmatur, die die Asymmetrie bzw. den Drall in der Strömung im großen Maße entfernt, ein sogenannter Lochplattengleichrichter, auf seine Funktionsweise hin untersucht. Durch den Einsatz dieses Gerätes kann die Störung in der Strömung in einer effektiven Weise entfernt werden.

This thesis with the title „ Numerical and experimental investigation of the unsteady flowfield of vortex-flow-meter configurations“ deals with the numerical calculation of vortex flow-meters as well as the mathematical capturing or quantification of flow- disturbancies by using K-Parameters. This work can be devided into two main parts: In the first part of the investigation the DN 25 vortex flow-meter is investigated numerically as well as experimentelly. In these investigations the flow at the inlet of the flow-system is considered as non-disturbed (fully developed velocity-profile at the inlet). In these unsteady calculations the effect of geometrical modifications on the vortex-sheddingfrequency is investigated. By using a certain bluff-body in the vortex-flow-meter, geometrical modifications or protrusions at the side-walls can arise and therefore can have an affect on the vortex-shedding-frequency. Besides this, the investigation includes a model-analysis. It is important to choose the correct models in dependence of the apparent flow type. Thus the compressible and incompressible flow-fields are investigated to identify the correct model parameters. The numerical results are validated with experimental measurements. By considering complex pipe system, which can be found in many industrial applications, we will see complex and compact installations of the pipes. Many installations of flowsystems like ball-valves, single-bends and other flow-systems can be found in between of the pipes, which cause flow-disturbancies in the pipes. In such industrial pipe systems it is important to control and determine the flow rate through the pipes i.e. to maintain a certain quality of the production. So the use of flow-meters like vortex-flow-meters, which have a high accuracy, is essentiel. But the installation of flow-systems like i.e. ball-valves can deteriorate the accuracy of the flow-meter due to the disturbancies in the flow-field. Thus the second part of this work deals with the mathematical capturing of such flowdisturbancies which will be caused by such installations. The disturbances in the flow-field can be captured by using the so-called K-Parameters, which can be found in the literature. But in this work some other parameters are developed to get a better capturing of the flowdisturbances under modelling considerations. At the end of this thesis the influence of a single-bend on the flow field of a vortex-flow- meter is investigated numerically as well as experimentally. This investigation includes additionally the effect of downstream installation of a single bend on the flow-field of the vortex-flow-meter. Besides this, the flow-field of a flow-straightner is investigated numerically. A single-bend is installed upstream of the flowstraightner. The main goal is here to reveal the functionality of a flow straightner, which can effectively remove the asymmetry and swirl in the flow-field.

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Gedikli, Ali-Osman: Numerische und experimentelle Untersuchung der instationären Strömungsfelder von Wirbelzählerkonfigurationen. 2012.

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