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Eignung numerischer Strömungssimulation zur Bestimmung des Betriebsverhaltens von Industriearmaturen

Beinert, Christian :
Eignung numerischer Strömungssimulation zur Bestimmung des Betriebsverhaltens von Industriearmaturen.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2008)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Eignung numerischer Strömungssimulation zur Bestimmung des Betriebsverhaltens von Industriearmaturen
Language: German
Abstract:

Eine Hauptaufgabe von Industriearmaturen ist die gezielte Änderung des Durchflusses. Das Betriebsverhalten einer Armatur kann dabei folgendermaßen beschrieben werden. Der Durchflusskoeffizient gibt das Durchflussverhalten in Abhängigkeit der Drosselkörperposition an. Bedingt durch den Druckunterschied zwischen der Eintritts- und der Austrittsseite der Armatur sowie auftretende Reaktionskräfte resultiert eine Kraft auf den Stellkörper, welche für die Auslegung des Stellantriebes und das Öffnungs- und Schließverhalten einer Sicherheitsarmatur von entscheidender Bedeutung ist. Durch die Umwandlung von Druckenergie in Geschwindigkeitsenergie innerhalb einer Armatur können Betriebszustände auftreten, die den Einsatz der Armatur limitieren. Bei den Flüssigkeiten ist dies die Kavitation, bei Gasen das Erreichen der Schallgeschwindigkeit. Im Weiteren kommt es während des Betriebes einer Armatur zu einer beträchtlichen Schallentstehung, welche unter anderem aus einem starken Anstieg der turbulenten kinetischen Energie im Bereich des Freistrahls, welcher sich zwischen Kegel und Sitz ausbildet, resultiert. Kann man die oben beschriebenen Vorgänge innerhalb einer Armatur mittels numerischer Strömungssimulation erfassen, so bietet sich ein großes Potential für Optimierungen. Neben den Möglichkeiten, die typische CFD-Codes bieten, besteht großes Interesse darin zu prüfen, inwieweit vereinfachte Codes mit eingeschränktem Funktionsumfang (EFD-Codes) das Betriebsverhalten von Industriearmaturen beschreiben können. Als Vertreter der CFD-Codes kam Fluent und als Vertreter der EFD-Codes FloWorks zum Einsatz. Um die Eignung der Codes sowohl für kompressible als auch für inkompressible Medien zu untersuchen, wurden zwei Prüfstände für die Fluide Luft und Wasser aufgebaut und systematische experimentelle Untersuchungen an zwei Durchgangsventilen und an einer Klappe durchgeführt. In den beiden verwendeten Regelarmaturen wurden Parabol-, V-Port-, Schalt- und Lochkegel variiert. Eine Sicherheitsarmatur wurde aufbauend auf die im Laufe dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse numerisch untersucht. Im Rahmen dieser Arbeit wurden so Möglichkeiten und Grenzen von CFD und EFD für die numerische Ermittlung von Durchflusskoeffizient, Kegelkraft, Kavitation, Überschallströmung, Geschwindigkeitsprofile und Innenschalldruckpegel aufgezeigt und Empfehlungen für die Behandlung solcher Problem ausgesprochen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
One of the major tasks of an industrial valve is the defined change of the flow rate. The operating performance can be described as follows. The coefficient of flow indicates the behaviour of the flow rate against the position of the flow restrictor assembly. The difference of pressure between the entrance and the exit side, combined with the reaction forces of the flow, results in a force on the cone, which is important for the design of the actuator and for the opening and closing behaviour of a safety valve. By the transformation of pressure energy into kinetic energy, operating conditions can occur, which limit the operating performance of the valve. For liquids this limit is cavitation and for gases it is the reaching of the speed of sound. Furthermore a considerable increase of flow induced noise occurs. If it is possible to describe these phenomena using computational fluid dynamics, there is a large potential for optimizations. Apart from the possibilities offered by typical CFD-Codes, a big interest exist to research the ability of simplified engineering fluid dynamic codes (EFD) to predict the operating performance of industrial valves. Fluent was chosen as a representative for CFD-Codes, while FloWorks was chosen represents EFD-Codes. To research the suitability of these codes for compressible and for incompressible media, two test plants were build, one for experiments with air and one for experiments with water. To validate the numeric results, systematic experiments with two control-valves and one butterfly-valve where done. Within the used control valves four different kinds of cones were tested. A safety valve was examined only numerically. Within this paper the possibilities and the limitations of CFD and EFD for the prediction of the coefficient of flow, force, cavitation, supersonic flow, velocity profiles and noise level were pointed out. Recommendations on how these effects can be simulated most effectively presented.English
Uncontrolled Keywords: CFD, EFD, Durchgangsventil, Sicherheitsventil, Absperrventil, Fluent, FloWorks
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
CFD, EFD, Durchgangsventil, Sicherheitsventil, Absperrventil, Fluent, FloWorksGerman
CFD, EFD, control valve, safety valve, butterfly valve, Fluent, FloWorksEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Maschinenbau
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:22
Last Modified: 07 Dec 2012 11:53
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000919
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-9192
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Tropea, Prof.Dr. Cameron
Advisors: Stoffel, Prof.Dr. Bernd
Refereed: 30 August 2007
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/919
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