Auslegung der Testsektion eines geschlossenen Windkanals für ORC-Fluide: Kontraktion, Diffusor und ein modulares Gesamtkonzept

145 Pages·2016·5.706 MB·German

by  Maximilian Paßmann (auth.)

Forschungsreihe der FH Münster
Maximilian Paßmann
Auslegung der Testsektion
eines geschlossenen
Windkanals für ORC-Fluide
Kontraktion, Diffusor
und ein modulares Gesamtkonzept
Forschungsreihe der FH Münster
Die Fachhochschule Münster zeichnet jährlich hervorragende Abschlussarbeiten
aus allen Fachbereichen der Hochschule aus. Unter dem Dach der vier Säulen Inge­
nieurwesen, Soziales, Gestaltung und Wirtschaft bietet die Fachhochschule Müns­
ter eine enorme Breite an fachspezifischen Arbeitsgebieten. Die in der Reihe publi­
zierten Masterarbeiten bilden dabei die umfassende, thematische Vielfalt sowie die
Expertise der Nachwuchswissenschaftler dieses Hochschulstandortes ab.
Maximilian Paßmann
Auslegung der Testsektion
eines geschlossenen
Windkanals für ORC-Fluide
Kontraktion, Diffusor
und ein m odulares Gesamtkonzept
Maximilian Paßmann
Fachhochschule Münster
Fachbereich Maschinenbau
Münster, Deutschland
Forschungsreihe der FH Münster
ISBN 978­3­658­14770­9 ISBN 978­3­658­14771­6 (eBook)
DOI 10.1007/978­3­658­14771­6
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Vorwort
Zu Beginn der Arbeit m¨ochte ich mich bei einigen Personen fu¨r die
Unterstu¨tzung bedanken. Zun¨achst geht mein besonderer Dank an
Herrn Professor Dr.-Ing. habil. Stefan aus der Wiesche fu¨r das entge-
gengebrachte Vertrauen sowie die hervorragende Betreuung w¨ahrend
der gesamten Arbeit. Herrn Prof. Dr.-Ing. Franz Joos von der Helmut
Schmidt Universit¨at der Bundeswehr in Hamburg danke ich fu¨r die
U¨bernahmed(cid:1)es Korreferates und die hilfreichen Vorschl¨age,die ich
w¨ahrend meines Besuchs in Hamburg erhalten habe.
Auch den Mitarbeitern des Labors fu¨r W¨arme-, Energie- und Mo-
torentechnik, meinem Arbeitsplatz, m¨ochte ich einen großen Dank
fu¨r jegliche Unterstu¨tzung aussprechen. Pers¨onlich erw¨ahnen m¨ochte
ich an dieser Stelle Felix Reinker M.Eng. fu¨r seine stets kompetente
Unterstu¨tzung bei allen Fragen rund um den ORC-Windkanal. Wei-
terhin m¨ochte ich Karsten Hasselmann M.Eng. danken, der mir bei
allen Fragen bezu¨glich der CFD-Simulationen stets eine große Hilfe
war.
Abseits des fachlichen Umfeldes m¨ochte ich mich auch bei Familie
undFreundenfu¨rdieUnterstu¨tzungw¨ahrenddervergangenenMonate
bedanken.
Zusammenfassung
DievorliegendeArbeitbeschreibtdieAuslegungundKonstruktionder
modularen Testsektion eines geschlossen Windkanals fu¨r ORC-Fluide.
Die Testsektion ist zentraler Bestandteil der geplanten Versuchsanlage
des Labors fu¨r Energie-, W¨arme- und Motorentechnik am Fachbereich
Maschinenbau der Fachhochschule Mu¨nster. Haupteinsatzgebiet der
Versuchsanlage ist die experimentelle Untersuchung von Realgaseffek-
ten in ORC-Turbinen sowie die Validierung von CFD-Simulationen.
Die Testsektion besteht aus drei Baugruppen: Kontraktion, Messstre-
cke und Diffusor.
Zur Auslegung der dreidimensionalen Kontraktion wird im ersten
Teil der Arbeit ein semi-analytisches Auslegungsverfahren vorgestellt,
das numerische und analytische Methoden zur Optimierung der Geo-
metrie kombiniert. Beurteilungskriterien fu¨r eine vorgegebene Geo-
metrie sind das Stratford-Kriterium und die Ungleichf¨ormigkeit am
Austritt. Insgesamt werden 25 Geometrien untersucht. Aus dieser
Menge wird die optimale Konfiguration ermittelt.
Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit der Auslegung des Diffu-
sors. Auf Basis einer numerischen Untersuchung werden unterschied-
liche Konzepte analysiert. Die Ergebnisse werden mit analytischen
Verfahren aus der Literatur verglichen. Hierbei wird besonders auf
die konzeptionellen Vorteile eines Stufendiffusors eingegangen. Ab-
schließend wird das Gesamtkonzept der Testsektion unter besonderer
Beachtung des modularen Aufbaus vorgestellt.
Executive Summary
The present contribution presents the development and design of a
modular test section for a closed loop wind tunnel, which is currently
VIII Executive(cid:1)Summary
under development at the University of Applied Sciences Muenster,
Germany. The test section is one of the vital components of the
system consisting of three main parts: contraction, working section
and diffuser.
A semi-analytical design procedure for the optimization of three-
diemensional wind tunnel contractions is presented. The Stratford
criterion is used for the evaluation of boundary-layer separation. Fur-
thermore, the velocity nonuniformity at the contraction outlet is
considered as an additional criterion. A comprehensive number of
contraction geometries with fixed contraction ratio, variable length,
and different points of inflection are analyzed with regards to mini-
mum flow deviation, the avoidance of flow separation and a uniform
velocity field at the outlet.
The diffuser is based on a modular two-part concept allowing for
differenttestobjectsintheworkingsection.Duetothelargearearatio
the concept of a dumped diffuser as commonly encountered in gas
turbinedesignis incorporatedintothedesign. Different geometriesare
investigated utilising a numerical approach. Predictions for pressure
losses and boundary-layer separation are compared to established
analytical methods. The study concludes with the presentation of the
overall design concept of the test section.
Inhaltsverzeichnis
Vorwort V
Zusammenfassung VII
Executive Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VII
Nomenklatur XXIV
1 Einleitung 1
2 Literaturu¨bersicht 5
2.1 Grenzschicht-Theorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.1 Abl¨osung der Grenzschicht . . . . . . . . . . . 7
2.1.2 Methoden zur Vorhersage von Abl¨osung . . . . 9
2.1.3 Maßnahmen zur Verhinderung der Abl¨osung . 10
2.2 Windkanal Kontraktion . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3 Geometrietransformation . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4 Diffusor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.5 U¨bersicht u¨ber den geschlossenen ORC-Windkanal . . 27
3 Auslegung der Kontraktion 33
3.1 Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2 Konzepte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.3 Analytische Betrachtung . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.4 Auslegungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.4.1 Modellierung der Geometrie . . . . . . . . . . . 41
3.4.2 Numerische Simulation-Potentialstr¨omung . . . 48
3.4.3 Beurteilungskriterien . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.5 Anwendung und Diskussion des Auslegungsverfahrens 61
3.5.1 Bestimmung des Betriebspunktes . . . . . . . . 62
X Inhaltsverzeichnis
3.5.2 Ergebnisse des Auslegungsverfahrens . . . . . . 65
3.5.3 EinflussderKontraktionsl¨angeaufdieUngleichf¨ormig-
keit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.5.4 Einfluss des Wendepunktes auf die Geschwin-
digkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.5.5 Ergebnisse und Diskussion der RANS-Simulation 76
4 Auslegung des Diffusors 85
4.1 Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.2 Konzepte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.3 Analytische Berechnung der Grenzschichtdicke . . . . 91
4.4 Analytische Absch¨atzung der Druckverluste . . . . . . 96
4.5 Ergebnisse und Diskussion . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.5.1 Konzept A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.5.2 Konzept B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5 Gesamtkonzept der Testsektion 111
6 Zusammenfassung 117
7 Ausblick 121
Literatur 123