Labor für Strömungslehre und Strömungsmaschinen sowie Dampfprüfstand
Im Labor werden folgende Versuche durchgeführt:
- Im Windkanal
- Tragflügelversuch
- Modellwindturbine
- Kugelversuch
- Am Radialventilatorprüfstand
- Geschwindigkeits- und Durchflussmessung von Gasen
- Kennlinien-Geräuschmessungen an einem Radialventilator
- An der Kleindampfturbine
- Thermodynamische Messungen an einer Dampfturbine
- Kesselwirkungsgrad
- Am Turboverdichter
- Thermodynamische Messungen an einem Turboverdichter
- Am Schaufelschwingungsprüfstand
- Schwingungsuntersuchungen an Schaufeln axialer Strömungsmaschinen
- Am Rohrreibungsprüfstand
- Bestimmung der Rohrreibungszahl λ
- Am Wasserturbinenprüfstand
- Peltonturbinenversuch
- Am Kreiselpumpenprüfstand
- Abnahmeversuche an Kreiselpumpen
- Volumen- und Massenstrommessung in Flüssigkeiten
- Am Axialventilator
- Axialventilatorversuch
Tragflügelversuch
Für die experimentelle Untersuchung der Tragflügelumströmung wurde eine Testsektion mit eingebautem NACA 4418 Profil im Rahmen einer Abschlussarbeit gebaut. Der Anstellwinkel des Profils kann durch einen Schrittmotorantrieb verstellt werden. Durch die Verbindung des Tragflügels mit der Windkanalwaage können die Tragflügelpolaren erstellt werden. Über 44 Druckmessbohrungen an der Profiloberfläche wird die Druckverteilung am Tragflügel für verschiedene Anstellwinkel ermittelt. Mit einem Particle Image Velocimetry-PIV-System werden Vektorfelder der Geschwindigkeit auf der Saugseite des Profils für verschiedene Anstellwinkel ermittelt.
Laserlichtschnitt
Zur Untersuchung des laminar turbulenten Grenzschichtumschlag wird ein Heißfilmarray eingesetzt, dessen Signale von Constant Voltage Anemometern (CVA) verarbeitet werden. Zur Visualisierung der Umströmung wird das Laser-Lichtschnittverfahren angewendet.
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Messtechnik
- Heißfilmarrays mit 36-kanaligen Constant Voltage Anemometer (CVA)
- Netscanner Druckmesssystem mit 64 Kanälen, 1 psi, 15 psi
- 3 AD Wandler Module mit je 12 simultanen analogen Eingängen, 225 kHz, 16 Bit, USB Ausgang
- Keysight VEE Software zur Versuchssteuerung und -Auswertung
- Mobiles Messdatenerfassungssystem
- 6-Komponenten Windkanalwaage
- Dantec Particle Image Velocimetry-PIV-System
Modellwindturbine
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Das Bild zeigt einen Windkanalversuch mit umfangreicher Messtechnik. Im Vordergrund befinden sich verschiedene elektronische Messgeräte wie Oszilloskop und Steuergeräte, dahinter ist ein Modell eines Flugzeugflügels oder Propellers im Luftstrom zu sehen. Die Strömung wird sichtbar gemacht, durch Rauch, um die Aerodynamik zu analysieren. Dieses Bild illustriert die experimentelle Untersuchung von Strömungsphänomenen in der Luftfahrttechnik und Strömungsmechanik.
Im Rahmen mehrerer Abschlussarbeiten wurde eine Modellwindkraftanlage ausgelegt, konstruiert und gefertigt.
Der dreiflügelige Rotor mit Blattwinkelverstellung hat einen Außendurchmesser von DG = 0,54 m. Die Auslegungs-windgeschwindigkeit beträgt cE = 12 m/s bei einer Auslegungsschnelllaufzahl von λ Ausl = 6. Als Profil wurde am Nabenschnitt ein NACA 4424 Profil gewählt, das sich bis zum Außenschnitt auf NACA 4410 verjüngt. Der über dem Radius konstante Auslegungsanstellwinkel beträgt αAusl = 2 ° . Die Rotorblätter haben einen Kunststoffkern, der in einer Rapidprototyping Anlage nach einer 3D Vorlage aus der Auslegungsrechnung gefertigt wurde. Zur Erhöhung der Festigkeit wurden die Rohlinge mit Kohlefaser überlaminiert.
Die Modellwindkraftanlage wird in der Messstrecke des Windkanals betrieben. Aufgrund der Modellgesetze beträgt die Auslegungsdrehzahl des Rotors n = 2546 min-1. Der Blatteinstellwinkel kann während des Betriebs rechnergestützt durch einen Schrittmotorantrieb verstellt werden. Der eisenlose permanenterregte Gleichstromgenerator wird durch eine an der THL entwickelte PID-Regelung ("elektronische Last") so angesteuert, dass beliebige Drehzahlen einstellbar sind. Dadurch lässt sich die dimensionslose Betriebskennlinie cP = f(λ ) für unterschiedliche Blatteinstellwinkel ermitteln.
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Das Diagramm zeigt eine rote Kurve mit blauen Rauten, die einzelne Messpunkte markieren. Auf der X-Achse ist die Schnelllaufzahl von 0 bis 10 und auf der Y-Achse der Leistungsbeiwert von 0 bis 0,5 abgetragen. Die Kurve beginnt bei einer Schnelllaufzahl von ca. 2,5 mit einem niedrigen Wert, steigt dann steil an und erreicht bei einer Schnelllaufzahl zwischen 4,5 und 5 ihr Maximum von etwa 0,42. Dieses hohe Niveau wird als Plateau bis zu einer Schnelllaufzahl von 7 gehalten, bevor die Kurve wieder deutlich abfällt.
Messtechnik
- Drehmomentmesswelle (Telemetrie) mit Drehzahlerfassung und Messverstärker
- Nebelsonde zur Sichtbarmachung von Drall und Strahlaufweitung
- 4 Kanal Digital Oszilloskop mit USB Datenspeicherung
- Mobiles Messdatenerfassungssystem
- Keysight VEE Software zur Versuchsauswertung
Kugelversuch
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Das Foto zeigt eine polierte Metallkugel auf einer Halterung vor einem blauen Kachel-Hintergrund. Ein grüner Rauchfaden strömt von rechts nach links über die obere Wölbung der Kugel. Zunächst liegt der Rauch glatt an der Oberfläche an, was eine laminare Strömung zeigt. Kurz hinter dem Scheitelpunkt der Kugel löst sich der Rauchfaden jedoch von der Oberfläche ab und verwirbelt in der Luft, anstatt der Kugelform weiter nach unten zu folgen.
In diesem Versuch werden im Windkanal Druckverteilungs- und cw-Wert Messungen an einer Kugel durchgeführt.
Insbesondere werden Veränderungen der Grenzschicht, des Ablösepunktes und des cw-Wertes in Abhängigkeit von der Reynoldszahl untersucht. Zur Bestimmung des cw-Wertes wird die Windkanalwaage eingesetzt.
Die Umströmung der Kugel wird durch das Laser Lichtschnitt Verfahren visualisiert.
Durch Einsatz eines Particle Image Velocimetry-PIV-Systems werden die Geschwindigkeitsvektoren der Kugelumströmung dargestellt.
PIV-Aufnahme der abgelösten Kugelumströmung
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Das Bild zeigt das Ergebnis einer Particle Image Velocimetry (PIV) Messung vor schwarzem Hintergrund. Rechts ist der Rand einer Kugel als graue Silhouette zu erkennen. Bunte Vektorpfeile visualisieren Richtung und Geschwindigkeit der Luft: Oberhalb der Kugel zeigen lange, rötliche Pfeile eine schnelle, gerichtete Strömung an. Hinter der Kugel ist ein Totwassergebiet zu sehen, in dem gelb-grüne Pfeile kreisförmige Wirbel bilden und so die Rückzirkulation der abgelösten Strömung verdeutlichen.
Messtechnik
- Mobiles Messdatenerfassungssystem
- Laser-Lichtschnitt-Technik
- Dantec Particle Image Velocimetry-PIV-System
- 6-Komponenten Windkanalwaage
Testfälle
Grenzschichtrechnungen
CFD-Ergebnis einer beschleunigten und verzögerten Grenzschicht entlang einer Kurve
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Das Bild zeigt einen Längsschnitt durch einen Strömungskanal, der sich in der Mitte verengt. Die Farben zeigen die Geschwindigkeit, wobei Rot in der Engstelle die höchste Geschwindigkeit (ca. 15,5 m/s) und Blau den Stillstand markiert. Eine vergrößerte Detailansicht am unteren Bildrand zeigt schwarze Vektorpfeile direkt an der Wand. Diese Pfeile werden zur Wand hin immer kürzer, was das typische Geschwindigkeitsprofil einer Grenzschicht und die Haftbedingung visualisiert, bei der die Geschwindigkeit direkt an der Wand null ist.
Für die Vermittlung von Grundlagen und zur Validierung der Modellrechnungen mit Literaturdaten werden Grenzschichtrechnungen mit einfachen Hexaeder Gittern durchgeführt. Dies beinhaltet die verzögerte und beschleunigte Grenzschichtströmung und die rückwärtsgewandte Stufe.
Berechnung von Tragflügelpolaren
Vektordarstellung einer CFD Rechnung für ein NACA 4418 Profil mit 20° Anstellwinkel
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Eine graue Tragfläche ist schräg im Raum dargestellt, als würde sie steil mit einem Anstellwinkel von 20 Grad angeströmt. Kleine Pfeile stellen die Luftströmung dar, wobei die Farbe von Blau (langsam) bis Rot (schnell, ca. 36 m/s) reicht. Während die Strömung an der Unterseite der Form folgt, zeigen die Pfeile auf der Oberseite (Saugseite) ein chaotisches Muster. Die Strömung liegt dort nicht mehr an, sondern löst sich ab, was durch wirre, teils rückwärts gerichtete blaue Pfeile als Strömungsabriss (Stall) erkennbar ist.
Es werden für ein NACA 4418 Profil unter Verwendung von strukturierten Hexaeder Gittern Rechnungen mit ANSYS CFX für verschiedene Anstellwinkel und Reynoldszahlen durchgeführt. Aus dem Postprocessing abgeleitete Druckverteilungen können mit Ergebnissen von Messungen am Tragflügelprüfstand des Windkanales der TH Lübeck verglichen werden.
Modellwindturbine
Saugseitige Ablösung am Turbinenrotor als Lösung einer Simulationsrechnung
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Das Bild zeigt das graue 3D-Gittermodell einer Windkraftanlage mit Nabe und drei Rotorblattansätzen. Auf der Rückseite der Rotorblätter, nahe der Nabe, sind unregelmäßige, leuchtend grüne Flächen eingezeichnet. Diese sogenannten Isosurfaces visualisieren spezifische Bereiche, in denen negative Geschwindigkeitswerte herrschen. Dies markiert die Zonen, in denen sich die Strömung vom Blatt ablöst (Rückstromgebiete).
Hier sind nach den Verfahren von Betz und Schmitz ausgelegte Kleinwindturbinen, deren Rotoren für den Windkanal der TH Lübeck geeignet sind, die Ausgangsbasis für Simulationsrechnungen. Dabei werden unterschiedliche Flügelgeometrien, Flügelwinkel und Betriebspunkte unter Verwendung automatischer Vernetzer gerechnet. Die Rechnungen können nach Fertigung der Flügel durch Windkanalversuche validiert werden.
Die Simulationen werden in der ANSYS Workbench mit FEM Modulen gekoppelt. Testfälle werden mit ANSYS CFX in Parallel Rechnungen gerechnet. Alternativ steht ein Setup für Open Foam zur Verfügung.
Axialpumpe
Stromlinienbild einer Axialpumpen-Rechnung
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Die Grafik zeigt die Simulation einer Axialpumpe. Der zentrale Nabenkörper ist farbig dargestellt, um den Druck zu visualisieren: Die Nase ist dunkelblau (niedriger Druck, ca. 170.000 Pa), während der hintere Teil orange gefärbt ist (hoher Druck, ca. 200.000 Pa). Zahlreiche dünne, hellblaue Linien winden sich spiralförmig um die Nabe und durch die Zwischenräume der Rotorblätter. Sie zeigen den Weg der Wasserteilchen an und verdeutlichen den starken Drall, den die Pumpe der Strömung verleiht.
Mit dem Blattelementverfahren vorausgelegte Axialpumpen für Wasser werden mit unterschiedlichen Geometrien und Betriebspunkten simuliert und mit der Vorauslegung verglichen. Für die Windturbine und die Axialpumpe werden die aero- bzw. hydrodynamischen Lasten mit FEM Berechnungen gekoppelt und das Ergebnis mit einer mechanischen Vorauslegung verglichen.
Axialventilator
Der Axialventilator des Windkanales der TH Lübeck dient als Testfall für die Strömungssimulation mit ANSYS CFX. Es kommen sowohl Hexaeder- als auch Tetraeder-Gitter zum Einsatz. Die Schaufelgeometrie des Axialventilators wurde mit Hilfe eines 3-D Scanners eingescannt und im CFD- Preprozessor bereitgestellt. Am Axialventilator gemessene Geschwindigkeits- und Druckprofile werden als Ausgangsdaten für die CFD Rechnung verwendet. Berechnete Kennlinien werden mit an der Maschine gemessenen Kennlinien verglichen.
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Geschwindigkeitsfeld aus einer instationären Berechnung des Ventilators.
