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.
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
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.
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
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
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
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
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
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
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.
Geschwindigkeitsfeld aus einer instationären Berechnung des Ventilators
- Grafikbeschreibungen
Bild 1: Windkanal-Experiment mit Messtechnik
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.
Bild 2: Leistungskennlinie eines Rotors
Dieses Diagramm zeigt die Leistungskennlinie eines Rotors oder einer Turbine. Auf der x-Achse ist die Schnelllaufzahl abgetragen, auf der y-Achse der Leistungskoeffizient. Die Kurve beschreibt, wie effizient der Rotor bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen arbeitet. Solche Kennlinien sind essenziell für die Auslegung und Optimierung von Windkraftanlagen, Propellern oder Turbinen.
Bild 3: Strömungsvisualisierung an einer Kugel
Das Bild zeigt eine Kugel im Windkanal, vor einem karierten Hintergrund, mit sichtbaren Strömungslinien, die mithilfe von Rauch oder Laserlicht hervorgehoben wurden. Die Visualisierung macht die Umströmung und mögliche Ablöseerscheinungen sichtbar, was für die Grundlagenforschung in der Strömungsmechanik und Aerodynamik wichtig ist.
Bild 4: Strömungsfeld mit Vektoren und Wirbel
Hier sieht man die Visualisierung eines Strömungsfelds um eine Kugel, wobei farbige Linien und Vektoren die Geschwindigkeit und Richtung der Strömung darstellen. Besonders auffällig ist die Wirbelbildung hinter der Kugel. Solche Darstellungen werden genutzt, um Strömungsphänomene und Turbulenzen in der experimentellen und numerischen Strömungsmechanik zu analysieren.
Bild 5: CFD-Simulation eines Kanalprofils
Das Bild zeigt eine numerische Strömungssimulation (CFD) eines Kanalprofils mit farblicher Darstellung der Geschwindigkeit. Die Skala reicht von niedrigen (blau) bis hohen (rot) Geschwindigkeiten. Im eingeblendeten Detail sind die Strömungsrichtungen durch Pfeile verdeutlicht. Solche Simulationen dienen der Optimierung von Strömungsführungen in technischen Anwendungen wie Lüftungsanlagen oder Wasserkanälen.
Bild 6: CFD-Simulation an einem Tragflügelprofil
Das Bild zeigt eine CFD-Simulation der Strömung um ein Tragflügelprofil. Die Farben kennzeichnen die Strömungsgeschwindigkeit, von blau (niedrig) bis rot (hoch). Die Stromlinien machen die Umströmung und die Entstehung von Auftrieb sichtbar. Solche Simulationen sind zentral für die Entwicklung und Verbesserung von Flugzeugen, Drohnen und Windrädern.
Bild 7: CFD-Analyse einer Rotorblatt-Strömung
Hier ist eine CFD-Analyse (Computational Fluid Dynamics) der Strömung an einem Rotorblatt zu sehen. Die Farbcodierung stellt die Geschwindigkeit in einem rotierenden Bezugssystem dar. Die Simulation zeigt die komplexen Strömungsverhältnisse an der Blattwurzel und -spitze, was für die Auslegung von Windkraftanlagen und Propellern von großer Bedeutung ist.
Bild 8: Strömungssimulation um eine Axialpumpe
Das Bild zeigt eine CFD-Simulation der Strömung um eine Axialpumpe. Die Stromlinien und die Farbcodierung machen Druck- und Strömungsverteilung sichtbar. Solche Visualisierungen werden in der Strömungsmechanik genutzt, um das Verhalten von Propellern oder Unterwasserfahrzeugen zu verstehen und zu optimieren.
