Auslegung der Testsektion eines geschlossenen Windkanals für ORC-Fluide: Kontraktion, Diffusor und ein modulares Gesamtkonzept PDF
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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 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen National bibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.dnb.de abrufbar. Springer Spektrum © Springer Fachmedien Wiesbaden 2016 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. 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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
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