Numerische und experimentelle Untersuchungen der instationären Strömungsphänomene in einer Seitenkanalmaschine
Final Report Abstract
In diesem Forschungsvorhaben wurden die instationären Strömungsphänomene in einer Seitenkanalpumpe untersucht, um die komplexen strömungstechnischen Zusammenhänge innerhalb der Hydraulik näher zu ergründen. Ausgehend von einer für die optische Zugänglichkeit der PIV-Messtechnik optimierten Seitenkanalgeometrie wurden zwei Laufradvarianten mit erhöhter bzw. verringerter Schaufelzahl, sowie in unterschiedlicher Form ausgeführte Laufradschaufeln numerisch berechnet. Zur Vergleichbarkeit wurde zudem der Einfluss eines runden Seitenkanals auf die Performance hin untersucht. Aus Effizienzgründen wurden sämtliche Berechnungen mit dem k-ω-SST Modell durchgeführt. Dieses Modell läuft besonders bei stark instationären Strömungsvorgängen im Vergleich zu Reynolds Stress Turbulenzmodellen sehr stabil und effizienter. Es zeigt sich, dass eine runde Ausführungsform des Seitenkanals die Strömung harmonischer entlang des Kanals zirkulieren lässt. Es bilden sich über alle Betriebspunkte hinweg, besonders in den Bereichen starker Strömungsumlenkungen, weniger Ablöse- bzw. Totwassergebiete aus. Dies äußert sich sowohl in der erreichbaren Förderhöhe als auch dem maximalen Wirkungsgrad. Dieser erhöht sich im Vergleich zum eckigen Seitenkanal um etwa 5 Prozentpunkte auf 42 %. Eine Erhöhung der Schaufelzahl hat eine negative Auswirkung auf die Förderhöhe, wohingegen eine Verringerung auf 20 Schaufeln im Vergleich zu 24 keinen signifikanten Unterschied aufweist. Förderhöhenkennlinie und Wirkungsgrad verlaufen hier nahezu identisch. Anders sieht es bei den unterschiedlich verwundenen Laufradschaufeln aus. Hier bewirkt eine positive Schaufelwinkelerhöhung eine Steigerung der Förderhöhe und des Wirkungsgrads. Das Wirkungsgradmaximum verschiebt sich zudem in ähnlicher Weise zu größeren Förderströmung, wie es bei dem runden Seitenkanal der Fall ist. Es konnte gezeigt werden, dass der Zirkulationsvolumenstrom erst ab einem bestimmten Förderstrom bzw. Lieferzahl einen linearen Verlauf annimmt. Er ist nicht nur abhängig vom gewählten Betriebspunkt, sondern auch von der Position im Seitenkanal. So trifft die Annahme, dass die Zirkulationsströmung eine lineare Funktion der Lieferzahl darstellt, nicht für Bereich nahe des Auslassstutzens zu. Für einen runden Seitenkanal wandert der lineare Bereich zudem weiter in Richtung Teillast. Die Annahme, dass das Verhältnis der mittleren Umfangsgeschwindigkeit im Seitenkanal zur Umfangsgeschwindigkeit am Referenzradius einen konstanten Wert annimmt, konnte nicht bestätigt werden. Vielmehr ist dieser Zusammenhang über dem gesamten Betriebsbereich hinweg linear. Der genannte Wert von 0,5 wird lediglich im Bereich des Bestpunkts der Pumpe erreicht. Das Verhältnis der Umfangsgeschwindigkeiten am äußeren Radius der Interfacefläche bezogen auf die des Laufrads am mittleren und äußeren Radius, soll nach derzeitigem Verständnis unabhängig vom Betriebspunkt einen Wert von 0,85 aufweisen. Im Allgemeinen liegen die berechneten Werte des eckigen Kanals unterhalb derer der runden Ausführung. Sie steigen zudem bei höheren Förderströmen an. Ein linearer Verlauf ist nur im unteren Lastbereich zu erkennen. Wird der mittlere Radius zur Auswertung genutzt, bewegen sich die Werte in etwa um 0,85. Eine nähere Betrachtung des Austauschmassenstroms zeigt, dass sich der Bereich, in dem das Fluid den Schaufelkanal verlässt, bei steigendem Förderstrom radial nach außen verschiebt. Die Fläche wird folglich kleiner. Die nach Gleichung 2 bestimmten Massenaustauschintensitäten für den Ein- und Austritt in den Seitenkanal sind aufgrund der Kontinuitätsgleichung nahezu deckungsgleich und zeigen für einen runden und eckigen Seitenkanal keinen signifikanten Unterschied. Bedingt durch die starke Zirkulation im Teillastbetrieb ist die Austauschintensität hier am größten und nimmt mit steigendem Förderstrom exponentiell ab. Sie ist also lediglich vom Betriebspunkt abhängig. Die Auswertung der statischen Druckschwankungen im Ein- und Auslassstutzen zeigen abhängig vom Betriebspunkt deutliche Druckpulsationen, die mit der charakteristischen Drehfrequenz dem Schaufeldrehklang entsprechen. Die FFT-Analyse repräsentiert diese dominanten Peaks bei 200 Hz und 400 Hz. Ein Blick auf die transienten Druckschwankungen im Einlassstutzen zeigt den Einfluss der in den Simulationseinstellungen gewählten Druckrandbedingung am Inlet von null Pascal. Je näher sich das Fluid am eigentlichen Eintritt in den Seitenkanal befindet, desto höher werden die Druckschwankungen. Die transienten Verläufe der Druckschwankungen im Austrittsstutzen unterscheiden sich auf den verschiedenen Flächen nur unwesentlich. Sie geben erwartungsgemäß ziemlich exakt den Verlauf der transienten Förderhöhe wieder und sind somit nur vom Betriebspunkt abhängig.
