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Mathematische Modellierung und Simulation

Arbeitsgruppe 8.41

Modellierung und Simulation von Strömungsvorgängen in der Metrologie

Bei der numerischen Simulation von Strömungen werden die Navier-Stokes-Gleichungen mit Hilfe von numerischen Methoden approximativ gelöst. Anwendungen der Strömungssimulation im Bereich der Metrologie sind beispielsweise:

  • Design und Optimierung von Messaufbauten,
  • Simulation und Vorhersage von Experimenten sowie
  • Bestimmung des Einflusses verschiedener Parameter auf die Messunsicherheit. 

Anwendungen

Die Forschungsarbeiten motivieren sich in der Regel aus aktuellen Problemstellungen in der Metrologie und werden häufig in Zusammenarbeit mit anderen Arbeitsgruppen der PTB durchgeführt. Im Folgenden sind einige Anwendungen aufgeführt, mit denen sich die Arbeitsgruppe 8.41 in den vergangenen Jahren beschäftigt hat bzw. aktuell beschäftigt.

Bestimmung des Einflusses unsicherer Parameter bei der Simulation von Rohrströmungen

Rohrströmungen werden von einer Vielzahl von Parametern beeinflusst, beispielsweise durch unsichere Anfangs- und Randbedingungen, Geometrievariationen durch Herstellungstoleranzen oder nicht genau bekannte Materialparameter. Diese können die Messunsicherheit von Durchflussmessungen beeinflussen. In der Praxis muss gewährleistet sein, dass Durchflussmessgeräte auch bei gestörten Einströmbedingungen innerhalb der vorgeschrieben Messtoleranz arbeiten.

In der Arbeitsgruppe 8.41 wurde in Kooperation mit der Arbeitsgruppe 7.53 der Einfluss gestörter Einströmprofile auf das Messergebnis eines Einstrahl-Ultraschall-Durchflussmessgerätes untersucht. Hierfür wurde die Polynomchaos-Methode in Kombination mit numerischer Strömungssimulation verwendet. Die gestörten Profile wurden dabei durch zwei aufeinanderfolgende Krümmer erzeugt. Dieser Fall ist für die Metrologie von besonderem Interesse, da in der Praxis häufig eine Reihe von Raumkrümmern aufeinanderfolgen, was zu erheblichen Messfehlern führen kann.

Mathematische Modellierung und numerische Simulation von Mehrphasenströmungen in der Metrologie

Die Messung von Mehrphasenströmungen ist von großer Bedeutung für die Öl- und Gasindustrie. Allerdings weisen Messungen in der Praxis häufig sehr große Unsicherheiten auf. Ziel des Projektes Multiphase Flow Reference Metrology war es daher, durch eine Harmonisierung zwischen verschiedenen Strömungslaboren die Messunsicherheit zu verringern und damit das Vertrauen in Mehrphasenströmungsmessgeräte zu erhöhen. An der PTB wurden, in enger Zusammenarbeit mit dem tschechischen Metrologie-Institut CMI, entsprechende Mehrphasenströmungen simuliert. Dabei wurde die Übereinstimmung zwischen Simulation und Experiment durch verschiedene neue Modellierungsansätze verbessert. Dies erlaubt eine realistischere Simulation der Entstehung und Entwicklung bestimmter Strömungsmuster, die den Messprozess negativ beeinflussen können.

Unterstützende Simulationen in der Partikelmesstechnik

Die Etablierung eines nationalen Standards für Rußmassenkonzentration und Opazität erfordert hochstabile Generatoren für Referenzaerosole verschiedenster Materialien in einem weiten Bereich an Partikelgrößen und Partikelanzahlkonzentrationen. Die Konditionierung des definiert erzeugten Aerosols erfolgt in einer sogenannten Verdünnungsstrecke. Sowohl die geometrische Gestaltung dieses  Anlagenteils als auch die Festlegung ausgewählter Betriebsparameter wurden mit begleitenden CFD-Simulationen unterstützt. Die Arbeiten wurden in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe 3.23 durchgeführt.

Simulation der Temperaturverteilung in großen Lagertanks

Lagertanks, wie beispielsweise für Mineralöl und dessen Produkte, können ein Fassungsvermögen von mehr als 50 Millionen Litern besitzen, sodass Temperaturänderungen von wenigen Zehnteln Grad Celsius innerhalb der Flüssigkeit ausreichen, um das Volumen um tausende Liter zu verändern. Beim Handel mit großen Mengen spielt deshalb die exakte Bestimmung der mittleren Flüssigkeitstemperatur innerhalb des Tanks eine wichtige Rolle. Im Rahmen einer wissenschaftlichen Kooperation wurden sowohl Experimente an einem realen Tank als auch umfangreiche Simulationsrechnungen durchgeführt. Letztere erlauben eine Übertragung der Messergebnisse auf andere Flüssigkeiten, andere Witterungsbedingungen und spezielle, bei großen Lagertanks übliche Füllvorgänge mit Flüssigkeiten unterschiedlicher Temperatur.

Publikationen

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Artikel

Titel: A standard to test the dynamics of vacuum gauges in the millisecond range
Autor(en): K. Jousten, S. Pantazis, J. Buthig, R. Model, M. Wüest;J. Iwicki
Journal: Vacuum
Jahr: 2013
Band: 100
Seite(n): 14--17
DOI: 10.1016/j.vacuum.2013.07.037
ISSN: 0042207X
Datei / URL: fileadmin/internet/fachabteilungen/abteilung_8/8.4_mathematische_modellierung/8.42/DYNAMIK/842_dynamik_Sensors_2010_10_7621.pdf
Web URL: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0042207X13002546
Schlüsselwörter: Choked flow,Dynamic pressure,Response time,Vacuum gauge,Vacuum metrology
Marker: 8.41,Flow
Zusammenfassung: Vacuum gauges that control fast processes in industrial applications, e.g. load locks, should immediately react to pressure changes. To study the response time of vacuum gauges to rapid pressure changes, a dynamic vacuum standard was developed where the pressure may change from 100 kPa to 100 Pa within 20 ms in a step-wise manner or within longer times up to 1 s in a predictable manner. This is accomplished by a very fast opening gate valve DN40 and exchangeable orifices and ducts through which the mass flow rate can be calculated by gas flow simulation software. A simple physical model can be used to approximate the calculations. Experiments have been performed with capacitance diaphragm gauges with improved electronics to give a read-out every 0.7 ms. Preliminary results indicate that their response time is at most 1.7 ms, but may be significantly less.

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