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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.

Numerische Simulation der Strömung von Wasserstoff durch kritische Düsen bei hohen Drücken

Wasserstoff ist ein vielversprechender Energieträger für den Einsatz in klimaneutralen Anwendungen in Industrie und Verkehr. In gasförmiger Form muss er aufgrund seiner geringen volumetrischen Energiedichte bei sehr hohen Drücken (bis zu 1000 bar) gelagert werden. Um den Wasserstoffverbrauch zu kontrollieren, ist eine verifizierbare Durchflussmessung erforderlich. Kritische Düsen sind ein etabliertes Sekundärnormal für die Messung des Massenstroms von Gasen. Die internationalen Normen beschränken sich jedoch auf Luft und Erdgase bei Drücken bis zu 200 bar.


Daher werden in der Arbeitsgruppe 8.41 im Rahmen des EMPIR-Projekts "Metrology infrastructure for high-pressure gas and liquified hydrogen flows" (Opens external link in new windowMetHyInfra) numerische Simulationen für Hochdruck-Wasserstoffströmungen durch kritische Düsen durchgeführt. Neben der Implementierung eines referenzdatenbasierten Realgasmodells für Wasserstoff in das Open-Source-Softwarepaket OpenFOAM werden verschiedene Einflüsse auf den Massenstrom - z. B. laminar-turbulente Transition, Wandrauigkeit, nicht-ideale Düsenkonturen und Wärmeübergang - untersucht, um einen besseren Einblick in das Strömungsverhalten in kritischen Düsen zu gewinnen.

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: Numerical simulation of multiphase flow in a vertically mounted Venturi flow meter
Autor(en): A. Fiebach, E. Schmeyer, S. Knotek;S. Schmelter
Journal: Proceedings of the 17th International Flow Measurement Conference FLOMEKO 2016
Jahr: 2016
Marker: 8.4,8.41,Flow

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