Numerische und experimentelle Untersuchung zur metrologischen Nutzung von kavitierenden Venturi-Düsen
Die vorliegende Arbeit „Numerische und experimentelle Untersuchung zur metrologischen Nutzung von kavitierenden Venturi-Düsen“ entstand in Kooperation mit der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB). Ziel dieser Arbeit ist es, Grundlagen für die metrologische Anwendung von hydraulisch kavitierenden Düsen zu schaffen. Die Kavitation sorgt ab einem gewissen Punkt für eine Durchflussbegrenzung, ab der ein weiteres Absenken des Austrittsdruckes den Durchfluss nicht weiter erhöht. Dieses Phänomen ist aus der Durchflussmesstechnik von Gasen bei den sogenannten kritisch durchströmten Venturi-Düsen (CFVN) bekannt. Ähnlich den CFVN sollen kavitierende Düsen zur Generierung hochgradig genauer und konstanter Durchflüsse genutzt werden, was ihnen eine Vielzahl an Anwendungsmöglichkeiten bietet.
In dieser Arbeit wurden dafür erste experimentelle sowie numerische Untersuchungen im Hinblick auf die messtechnische Anwendung durchgeführt. Dafür wurden etliche Geometrieeinflüsse, wie die generelle Düsenform, Düsen- und Diffusorwinkel, Düsenhalslänge usw. numerisch untersucht und darauf basierend Vorschläge für eine optimierte Geometrie abgeleitet. Anhand der Experimente wurde ein neues Phänomen, die sog. sprunghafte Verlängerung der Schichtkavitation, beobachtet. Durch die Auswertung der experimentellen und numerischen Untersuchungen konnte dieses Phänomen beschrieben und erklärt werden. Durch die Experimente konnte weiterhin eine Möglichkeit zur Berechnung des Durchflusses im Bereich der Durchflussbegrenzung abgeleitet werden. Diese basiert im Prinzip auf einer reibungslosen Betrachtung, die durch einen Korrekturfaktor angepasst wird. Neu ist in diesem Zusammenhang aber die Bewertung des Korrekturfaktors an sich. Durch einen Vergleich mit den numerischen Untersuchungen konnte der Korrekturfaktor in seine jeweiligen Anteile zur Korrektur der Geschwindigkeit und der Dichte aufgespalten werden. Weiterhin liefern die Experimente, vor allem im Zusammenhang mit den Hochgeschwindigkeitsaufnahmen etliche Nachweise für neuere Theorien hauptsächlich in Bezug auf die Schichtkavitation.
The presented work „Numerical and experimental investigation on the metrological usage of cavitating Venturi-nozzles“ was carried out at the chair of fluid mechanics in cooperation with the Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB). The purpose of the investigations is to develop the basic aspects of the metrological usage of hydraulically cavitating nozzles. Within the nozzle, due to the cavitation, the flow becomes choked, which means that a further decrease of the backpressure won’t increase the flow rate any longer. The same phenomenon is known in gas metering from the so-called critical flow Venturi-nozzles (CFVN). Similar to the CFVN, the cavitating nozzles could be used for the generation of highly stable and accurate flow rates, offering a wide range of applicability.
For this purpose, first experimental, as well as numerical investigations aiming at the metrological usage of the cavitating nozzles, were performed. The experiments have been carried out at the PTB, including high-speed camera observations with up to 140.000 fps. In addition to the experiments, numerical investigations using the commercial CFD-software Star-CCM+ were carried out. The numerical investigations cover for example the evaluation of geometry influences on the accuracy of the flow rate, such as the influence of the general nozzle geometry, nozzle, and diffuser angle. Based on the results, proposals for an optimized geometry have been derived.
Due to the experiments, a new phenomenon, named the sudden extension of the vapor cloud, was observed. With the analysis of the experiments and additional numerical simulations, this phenomenon could be described and even physically explained. Based on the evaluation of the experimental results, a solution for the calculation of the choked flow rate is presented. The calculation is primarily based on an inviscid approach and fitted by a correction factor. Furthermore, due to the combined experimental and numerical approach, a novel estimation of the specific fraction of an influence of the correction factor could be done. In that way, the correction factor could be split into the correction of the velocity and the density. In addition, the experiments and especially in combination with the high-speed recordings provided numerous evidence for newer theories mainly related to sheet cavitation.
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