DE69921732T2

DE69921732T2 - Drehende Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der aerodynamischen Eigenschaften einer Wandung

Info

Publication number: DE69921732T2
Application number: DE69921732T
Authority: DE
Inventors: Yves Charron
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 1998-05-11
Filing date: 1999-04-23
Publication date: 2005-03-17
Anticipated expiration: 2019-04-24
Also published as: NO313435B1; FR2778460B1; US6260413B1; EP0957352A1; NO992261L; DE69921732D1; NO992261D0; FR2778460A1; EP0957352B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren, die es ermöglichen, die aerodynamischen Eigenschaften oder Merkmale einer Wand in Kontakt mit einem turbulent strömenden Fluid zu bestimmen.
Unter dem Ausdruck „Wand" versteht man im Folgenden der Beschreibung den Teil, welcher zum Einschließen eines Fluids dient und direkt in Kontakt mit der Strömung ist. Dies kann z. B. der Teil in einem nicht innen ausgekleideten Kanal sein, eine Auskleidung oder auch ein drittes Fluid, das den Teil innerhalb eines Kanals bedeckt.
Unter aerodynamischen Eigenschaften versteht man z. B. in dem Fall eines Kanals oder einer Leitung den Lastverlust oder Druckverlust, hervorgerufen durch Strömung eines Fluids entlang der Wand. In diesem allgemeineren Fall einer Platte oder einer Wand betrachtet man die Widerstandskraft, hervorgerufen durch die Strömung entlang dieser Wand.
Die Lastverluste oder treibende Kraft hängen nicht allein von den Strömungsbedingungen ab, sondern auch von den Merkmalen der Wand. Die Wand wird gemäß dem Fall durch ihren Oberflächenzustand gekennzeichnet werden, z. B. Rauheiten, ihre geometrische Form, Streifen bzw. Schlieren oder auch die Gegenwart eines sie bedeckenden Films oder sie bildenden Materials.
Die aerodynamischen Eigenschaften oder Merkmale werden im Verhältnis zu jenen einer Wand aus einem Standardmaterial etabliert werden wie einem Stahl, für die der Reibungskoeffizient beim turbulenten Strömen in einer geraden kreisförmigen Leitung durch die Formel f = 0,316/Re⁰²⁵ mit Re der Reynoldszahl dieser Strömung gegeben ist. Im Fall einer Wand, die einen höheren Reibungsfaktor aufweist als jene, die einer Eichwand entspricht (z. B. Fall der Rauheiten mit einer quasi zufälligen Raumverteilung an der Oberfläche) wird die Wand so durch eine äquivalente hydraulische Rauheit gekennzeichnet werden. In dem Fall einer Wand, die einen geringeren Reibungsfaktor aufweist als jene, die einer Eichwand entspricht (z. B. Fall der Schlieren mit einer blumenartig organisierten Geometrie der Wand oder eines speziellen Materials) wird die Wand durch einen Hydraulikeffizienzwert gekennzeichnet sein, der weiter unten in der Beschreibung definiert ist.
Die vorliegende Erfindung ist vorteilhaft auf dem Gebiet des Erdgastransports unter Druck über weite Strecken in Gasleitungen anwendbar. Die Lastverluste können daher einige 10 bar erreichen und es erweist sich so als notwendig, das Gas in regelmäßigen Abständen, z. B. in der Erde, unter Verwendung von Rekompressionsstationen zu rekomprimieren, die mehr oder weniger nahe zusammen sind oder von mehr oder weniger großer Leistungsfähigkeit in Abhängigkeit der Lastverluste oder z. B. im Meer unter Verwendung von Kanalisationen mit mehr oder weniger großem Durchmesser gemäß den Lastverlusten. Solche Stationen oder Leitungen tragen dazu bei, die Herstellungskosten zu erhöhen. Die aerodynamischen Merkmale des Oberflächenzustands einer Transportöhre bewerten zu können, ermöglicht es vorteilhaft das seine Innenwand bildende Material zu wählen oder die Merkmale seiner Oberflächengeometrie zu optimieren, um die Lastverluste, die eingeführt werden können, zu minimieren.
Der Stand der Technik beschreibt verschiedene Ausführungsformen, um die Druckverluste eines Druckgases beim turbulenten Fließen in einer Leitung zu bewerten.
Eines der Verfahren besteht darin, ein Fließen über eine vorgegebene Länge zu stabilisieren und anschließend stromabwärts den Druckverlust, z. B. zwischen zwei Punkten der Leitung zu messen, wobei die Messpunkte genügend voneinander beabstandet sind. Dies erfordert große Leitungslängen, hauptsächlich mit hohen Reynolds-Zahlen und für Leitungen großen Durchmessers eine besonders komplexe Ausführung, z. B. mit hydraulischen Versuchen auf den Streifen bzw. Schlieren), beträchtliche Versuchsmittel (hoher Durchsatz und Druck), relativ lange Versuchszeiten und folglich hohe Kosten.
Die Viskosimeter des Stands der Technik, z. B. gezeigt in den Dokumenten US 5 301 541 , US 4 485 450 , US 4 821 564 und US 4 643 021 sind mit einem anderen Ziel geplant worden. Sie werden daher verwendet, um die Merkmale eines laminar fließenden Fluids zu bestimmen und keinesfalls die aerodynamischen Eigenschaften einer Wand in Kontakt mit einem Fluid im turbulenten Umlauf.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die es ermöglicht, die aerodynamischen Merkmale einer Wand zu bestimmen. Die Vorrichtung umfasst:

– wenigstens eine Rotationswelle,
– eine Trommel, die auf der Rotationswelle angebracht ist,
– eine Einfassung, in der sich die Trommel angeordnet befindet, derart dass sie einen Raum definiert, der wenigstens eine Versuchszone, ausgerüstet mit der wenigstens einen zu testenden Wand, umfasst,
– wenigstens eine Leitung zur Einführung eines Testfluids, die mit der Versuchszone kommuniziert,
– Vorrichtungen, die es ermöglichen, einen Parameter zu bestimmen, der für den Reibungsfaktor des Fluids in der Versuchszone repräsentativ ist,

Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass

– die Versuchszone eine bestimmte Breite ,l' oder Luftspaltbreite für eine vorgegebene Rotationsgeschwindigkeit der Trommel hat und das Testfluid bekannte Merkmale (Viskosität, Dichte, ...) derart hat, dass das Fluid im turbulenten Strömungsbereich auf der Ebene der wenigstens einen zu testenden Wand vorliegt, wobei der turbulente Bereich einem vorgegebenem Reynoldswert Re entspricht.

Die Trommel ist über wenigstens einen Teil ihrer Höhe zylindrisch.
Die Vorrichtung kann Dichtungsmittel umfassen, die derart ausgelegt und angeordnet sind, dass sie drei Zonen begrenzen, eine erste Versuchszone hohen Drucks und zwei Zonen niedrigen Drucks, wobei diese Zonen „physikalisch" getrennt sind. Die „physikalische" Trennung kann mit Hilfe von Dichtungen verwirklicht werden.
Wenigstens eine der Leitungen zur Einführung des Testfluids kann auf der Ebene der Dichtungsmittel angeordnet sein.
Gemäß einer anderen Ausführungsvariante können die Dichtungsmittel auf der Ebene der Rotationswelle angeordnet sein.
Die Vorrichtung kann mit Mitteln (C_ρ, C_γ) ausgerüstet sein, die es ermöglichen, den Druck und/oder die Temperatur auf der Ebene der Versuchszone zu bestimmen.
Sie kann auch Pitotrohre derart umfassen, dass die lokale Geschwindigkeit des Fluids bestimmt wird und daraus das Geschwindigkeitsprofil in der ringförmigen Zone abgeleitet wird.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung z. B. ein Heiz- und/oder Kühlsystem.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren, das es ermöglicht, die aerodynamischen Merkmale einer Wand zu bestimmen. Es ist dadurch gekennzeichnet, dass:

– man ein Testfluid in eine Versuchszone einführt, die die zu testende Wand oder die zu testenden Wände umfasst, wobei die Versuchszone zwischen einer feststehenden Einfassung und einem beweglichen Element gelegen ist,
– man das bewegliche Element in Rotation versetzt,
– man den Druck und die Rotationsgeschwindigkeit des beweglichen Elements derart wählt, dass die gewünschte Reynolds-Zahl erhalten wird,
– man die Dissipationsverluste in der Einfassung bestimmt,
– man die Schubspannung sowie den Reibungsfaktor bestimmt,
– man den Wert der Schubspannung bzw. Scherspannung (im folgenden Schubspannung genannt) oder jenen des Reibungsfaktors im Verhältnis zu einer Datengesamtheit vergleicht, die aus Vergleichswänden für einen gleichen Wert der Reynolds-Zahl etabliert sind, wie jenen, den man für die Charakterisierung wählt, und
– man den Wert der hydraulischen Charakteristik wie der Rauheit und Hydraulik oder der hydraulischen Effizienz der zutestenden Wand oder Wände bestimmt.

Man kann die Dissipationsverluste in der Einfassung auf der Ebene einer Versuchszone bestimmen, die durch Dichtmittel begrenzt ist, die derart angeordnet sind, dass sie drei Zonen begrenzen, eine erste Versuchszone und zwei Zonen.
Die Vorrichtung und das Verfahren finden vor allem eine Anwendung zur Untersuchung von Wänden einer Leitung, die zur Beförderung eines Druckgases vorgesehen ist.
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung bietet verschiedene Vorteile, von denen bestimmte beispielhaft und keinesfalls begrenzend sind. Beim Messen der dissipativen Verluste

– in dem Fall einer rauen Wand in direktem Kontakt mit der Strömung ist es möglich, den Wert des Reibungsfaktors (von der Reynolds-Zahl abhängiger Parameter) und jenen der äquivalenten hydraulischen Rauheit (absolut oder relativ, von der Reynolds-Zahl und unabhängiger Parameter) zu bestimmen,
– in dem Fall einer rauen, mit einem filmartigen Element bedeckten Wand ist es möglich, den Reibungsfaktor (von der Reynolds-Zahl abhängiger Parameter) und jenen der äquivalenten hydraulischen Rauheit zu bestimmen,
– in dem Fall einer schlierenartigen Wand bzw. Wand mit Streifen ist es möglich, den Wert des Reibungsfaktors (von der Reynolds-Zahl abhängiger Parameter) und jenen der hydraulischen Effizienz der Schliere bzw. des Streifens (hierunter definierter Parameter) zu bestimmen,
– in dem Fall einer aus einem bestimmten Material gebildeten Wand ist es möglich, den Wert des Reibungsfaktors (von der Reynolds-Zahl abhängiger Parameter und jenen der hydraulischen Dichtheit des Materials wie oben definiert zu bestimmen.

Andere Vorteile und Merkmale der Vorrichtung gemäß der Erfindung werden besser beim Lesen der nachfolgenden Beschreibung eines nicht begrenzenden Beispiels verstanden werden, in dem Bezug genommen wird auf die anliegenden Figuren, wobei
die 1 eine allgemeine Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer für die Bewertung von hydraulischen Eigenschaften einer Wand, die am Anfang der Beschreibung definiert ist, ausgelegten Vorrichtung zeigt,
die 2 ein Detail der Dichtungsmittel der Vorrichtung der 1 zeigt, und
die 3 eine andere Variante der Vorrichtung schematisiert.
Das Funktionsprinzip des Verfahrens und der zugeordneten Vorrichtung besteht darin, eine Trommel in einem Innenraum bzw. Einfassung (im Folgenden Innenraum genannt) derart rotieren zu lassen, dass ein stark turbulenter Strom, z. B. mit einer Reynolds-Zahl über 10⁶ erzeugt wird um die gewöhnlich in Gasleitungen vorliegenden Strömungen zu simulieren. Da die Trommel und der Innenraum in relativer Bewegung zueinander (Rotation) sind, spritzt man anschließend oder gleichzeitig ein Testfluid unter einem hohen Druck ein. Die durch diese Rotation erzeugten Reibungen werden ein Drehmoment auf die Rotationswelle der Vorrichtung mit sich ziehen. Eine Messung dieses Drehmoments, um die aerodynamischen Eigenschaften der Auskleidungen oder der Wände in Kontakt mit dem Testgas zu bestimmen, wird gemessen.
Die 1 stellt eine Vorrichtung dar, die es ermöglicht, die hydraulischen Eigenschaften der Wand einer zum Transportieren von Druckgas vorgesehenen Leitung zu bewerten. Zu diesem Zweck verwendet man ein Testfluid, von dem man die hydraulischen Eigenschaften kannte wie die Viskosität und die Thermodynamik, wie seine Molekularmasse, seinen Komprimierbarkeitsfaktor, um im turbulenten Umlauf den Reibungsfaktor und/oder die äquivalente hydraulische Rauheit oder die hydraulische Dichtheit der Wand zu bestimmen.
Die Vorrichtung kann in vertikaler Weise oder in irgendeiner Position angeordnet werden.
Sie umfasst z. B. eine Zylindertrommel 1, die in einem äußeren Raum 2 angeordnet ist, wobei dieser letztere selbst zylindrisch ist. Die Trommel wird auf einer Rotationswelle 3 angebracht, welche mit Rotationsmitteln (nicht in der Figur dargestellt) verbunden ist und z. B. mit Mitteln zum Messen C_N der Rotationsgeschwindigkeit N ausgerüstet ist.
Die Rotationswelle 3 ist auch mit Mitteln C_C verbunden, die es ermöglichen, die Dissipationsenergie zu messen, z. B. ein Drehmomentmesser.
Die Trommel 1 umfasst eine Zylinderwand 4 mit einer parallel zur Achse der Rotationswelle 3 longitudinalen Richtung und zwei Basen 5, 6, die nachfolgend als Ringwände bezeichnet werden, welche im Wesentlichen senkrecht zur Achse der Rotationswelle sind.
Zwischen der Trommel und der Innenwand 2a des Innenraums existiert ein Raum 10 mit Ringform in diesem Ausführungsbeispiel. Dieser Raum besteht aus drei, jeweils 10a (Versuchszone hohen Drucks), 10b und 10c (Versuchszonen niedrigen Drucks) bezeichneten Zonen. Die Zonen unterschiedlichen Drucks sind „physikalisch" mittels Dichtungsmitteln 9a und 9b getrennt, die in diesem Ausführungsbeispiel auf dem Niveau der beiden Enden der zylindrischen Wand 4 angeordnet sind.
Die Zone 10a oder Versuchszone entspricht so dem ringförmigen Raum, der zwischen der Innenwand 2a des Innenraums und dem Äußeren der Trommel und den Dichtungsmitteln 9a, 9b umfasst ist. Die Detailansicht entspricht den Dichtungsmitteln, welche z. B. in dem Teil in der Vorrichtung angeordnet sind, wobei die Dichtungsmittel 9b symmetrisch zu den Mitteln 9a sind.
Ein Strukturbeispiel dieser Mittel ist in der 2 detailliert gezeigt.
Die Spaltbreite „I" der Versuchszone 10a ist begrenzt durch die Radien R der Trommel und R des Innenraums. Diese letzteren werden gewählt, um eine Spaltbreite „l" zu erhalten, die in der Lage ist, den gewünschten turbulenten Umlauf zu erzeugen (folglich die vorgegebene Reynolds-Zahl), unter Berücksichtigung der Merkmale des Testfluids (wie seine Dichte ρ und seine absolute Viskosität μ), und seine äquivalente Strömungsgeschwindigkeit Va in der ringförmigen Zone. Diese Geschwindigkeit ist selbst abhängig von dem Wert des Radius und der Rotationsgeschwindigkeit der Trommel.
Der hydraulische Radius Rh der Versuchszone wird gemäß einer dem Fachmann bekannten Weise für einen nicht ringförmigen Kanal bestimmt, in dem die Oberfläche s der ringförmigen Versuchszone durch ihren Umfang p geteilt wird. In dem Fall einer relativ länglichen ringförmigen Zone, z. B. von einer Spalthöhe, wird ein Teil der Wand 4, der zwischen zwei Dichtungsmitteln 9a und 9b umfasst ist, mehr als zehn Mal über dieser Breite liegen, der hydraulische Radius wird auf die Hälfte der Spaltbreite angepasst werden können. Der hydraulische Durchmesser Dh ist als doppelter hydraulischer Radius definiert.
Die äquivalente Strömungsgeschwindigkeit des Fluids Va in der Versuchszone wird bestimmt, indem das arithmetische Mittel der Umfangsgeschwindigkeiten der Wände der Trommel und des Innenraums (wobei diese letzte 0 ist) genommen wird. Sie wird aus der Rotationsgeschwindigkeit N bestimmt, die mithilfe der Vorrichtung C_N gemessen wird.
So wird die Spaltbreite „l" ausgehend vom hydraulischen Radius durch die folgende Gleichung bestimmt werden: <<l/2>> ≡ Rh = (1/4/Va)*(Re*μ/ρ), wobei Re der Zahlenwert einer Reynolds-Zahl ist, die man zu simulieren wünscht.
Die Zonen 10b und 10c entsprechen Räumen die zwischen den Basen 6, 5 der Trommel und der Innenwand 2a des Innenraums 2 liegen. Die Breite der Zonen 10b und 10c, d. h. die kleinste Länge der Zone, ist von derselben Größenordnung wie der Spaltwert „l".
In der 1 sind die zu testenden Wände auf der Innenwand 2a des Innenraums 2 auf dem Niveau der ringförmigen Zone 10a und der Außenwand der Zone 1 angeordnet. Sie werden durch Hüllen 20 und 21 mit einer Länge lc gebildet, die im Wesentlichen der Höhe der Trommel, vermindert durch die Länge der Dichtungsmittel, im Allgemeinen oder 9b entspricht. Die Wände können eines der am Anfang der Beschreibung erwähnten Merkmale aufweisen.
Ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, wäre es möglich, eine dieser beiden Wände zu testen, wobei die zweite bei den Versuchen der ersten Wand unverändert bleibt.
Der Innenraum 2 ist mit einer Leitung 12 zur Gaszufuhr versehen, welche sich in zwei Leitungen 13 und 14 teilt. Diese beiden Leitungen ermöglichen es, Anfangstestfluid einzuführen und im Laufe des Versuchs ein Testfluids derart verschicken, dass die Gasverflüchtigungen ausgeglichen werden, die sich auf dem Niveau der Dichtmittel oder -systeme 9a, 9b erzeugen. Die Eingangsleitung 12 des Druckgases kann mit einer Vorrichtung 15 zum Steuern des Drucks mittels eines Ventils ausgerüstet sein.
Im Falle von Dichtungssystemen durch dem Fachmann bekannte und in Detailansicht und in der 2 beschriebene Labyrinthe kann die Versorgung an Testfluid durch die Leitungen 13 und 14 direkt auf dem Niveau der Labyrinthe derart geschehen, dass keine Verflüchtigung auf dem Niveau der Versuchszone auftritt. Indem auf diese Weise verfahren wird, wird die Strömung im turbulenten Umlauf in der Versuchszone 10a nicht gestört.
Der Innenraum wird auch mit Entleerungsmitteln 16 und 17 versehen, die auf dem Niveau der Zonen 10b und 10c angeordnet sind. Die Gesamtheit der die Dichtungssysteme verlassenden Gase wird so evakuiert, dass der Druck auf den Ebenen der Zonen 10b und 10c möglichst gering ist. Dieser Druck wird vorzugsweise so nahe wie möglich am Atmosphärendruck sein. Der Druck in den Zonen 10b und 10c wird im Wesentlichen durch den Durchmesser der Leitungen 16 und 17 bestimmt. Er kann im Übrigen unter dem Atmosphärendruck unter Verwendung eines Abzugssystems, das dem Fachmann bekannt ist und stromabwärts der Leitungen 16 und 17 angeordnet ist und nicht dargestellt ist, gehalten werden.
Drucksensoren C_p und Temperatursensoren C_T werden auf dem Niveau der Versuchszone 10a derart angeordnet, dass man die Temperatur und den Druck des Testfluids unter Druck im turbulenten Umlauf regeln kann.
Die Dichtheit zwischen der Trommel und dem Innenraum wird mithilfe dem Fachmann bekannter Vorrichtungen sichergestellt werden können, z. B. Dichtungen mit Labyrinthen, mit Ölfilm, Dichtringen oder bestehend aus Dichtungsgarnituren.
Die aerodynamischen Merkmale einer Wand sind ausgehend von den dissipativen Verlusten in der Versuchszone 10a bestimmt. Diese dissipativen Verluste werden z. B. ausgehend von einer Messung der Übertragungsleistung oder Messungen eines Drehmoments C, das übertragen wird, und der Rotationsgeschwindigkeit N, betrachtet auf dem Niveau der Welle 3, die die Trommel 1 antreibt, abgeleitet.
Vorteilhaft umfasst die Vorrichtung Systeme zum Heizen und/oder zum Kühlen von außen und/oder innen derart, dass eine Temperaturregelung des Fluids in der Versuchszone ermöglicht wird.
Z. B. in der 1 wird dieses System aus einer Wand 30 gebildet, die den Innenraum 2 derart einkreist, dass ein ringförmiger Raum 31 gebildet wird. Der ringförmige Raum kommuniziert mit einer Hilfsquelle, die ein Heiz- oder Kühlfluid enthält.
Die äußere Kühlung kann z. B. mithilfe eines Wasserkreislaufs oder auch durch Ventilierungsmittel durchgeführt werden.
Die Kühlung kann in interner Weise durchgeführt werden. Dafür kann ein Fluid in der Rotationswelle und in der Trommel zirkulieren, wobei letztere folglich angepasst ist.
In allen Ausführungen einer Vorrichtung wird es möglich sein, Temperatursensoren derart anzuordnen, dass das Kühlsystem geregelt wird.
Die 2 zeigt detailliert die Dichtungsmittel, die dem Detail entsprechen, das mit 9a bezeichnet ist.
Der Querschnitt wird gemäß dem Schnitt A-A' der Vorrichtung der 1 genommen. Diese Mittel umfassen einen beweglichen Teil 22, angebracht auf der Wand der Trommel, einen Kanal 23, einen festen Teil 24, fest verbunden und fixiert auf der festen Wand 2 des Innenraums. Der feste Teil 24 ist mit mehreren Öffnungen zur Verteilung 25 und Wiederverteilung von Testfluid, einem ringförmigen Hals 26, der mit diesen Öffnungen kommuniziert, versehen.
Die Wand des Innenraums 2 ist mit Öffnungen 27 versehen, die einerseits mit dem ringförmigen Hals 26 und mit einem Kanal 28 kommunizieren, welcher es ermöglichen wird, Testfluid einzuführen.
Das Bezugszeichen 29 bezeichnet eine Verstärkung der Wand des Innenraums. Die in 9a detaillierten Dichtungen sind ausgelegt, um in dem Innenteil der Vorrichtung angeordnet zu werden. Auf dem Niveau des oberen Teils werden die Dichtungen vom Typ 9b eine symmetrische Form aufweisen.
Eines der Durchführungsmittel der Vorrichtung und des Verfahrens, die es ermöglichen, die aerodynamischen Eigenschaften einer Wand zu charakterisieren, kann die folgenden Stufen umfassen:
Stufen des Eichens und des Messens

– man zeigt die zu testende Wand oder Wände, z. B. die mit 21 bezeichnete Einfassung auf der zylindrischen Außenwand der Trommel 1 und die mit 20 bezeichnete Einfassung auf der Innenwand des Innenraums 2,
– man führt ein Gas mit einer bekannten Zusammensetzung und bei einem Druck ein, der erforderlich ist, um die Strömungsbedingungen zu befriedigen, derart, dass eine Strömung mit der gewünschten Reynolds-Zahl erhalten wird,
– gleichzeitig setzt man die Trommel bei der erforderlichen Geschwindigkeit in Rotation, um den Strömungsbedingungen zu genügen.

Eichen der Vorrichtung ausgehend von bekannten hydraulischen Merkmalen von Wänden oder Eichwänden
Die Eichwände werden vorzugsweise aus nicht oxidierbarem, nicht verkleidetem Stahl gebildet, auf dem man Rauheiten einer mittleren Amplitude ε bildet.
Die Temperatur und der Druck des Testgases in dem ringförmigen Messraum werden durch die Sensoren C_T und G_P gemessen.
Die Reynolds-Zahl Re wird durch die Formel
bestimmt,
worin V_A die äquivalente Strömungsgeschwindigkeit des Fluids ist, bestimmt ausgehend von der Messung der Rotationsgeschwindigkeit N, D_H der hydraulische Durchmesser ist, ρ und μ die Dichte und die Viskosität des Testgases sind.
Die entsprechende Scherkraft ist definiert durch:
worin C_dis, R_moy, S_moy jeweils sind.

– Der Wert des Drehmomente, das den Dissipativverlusten in der Versuchszone entspricht, erhalten durch die Differenz zwischen dem Drehmoment, das der Gesamtheit der Verluste C_Tot entspricht (auf der Welle gemessener Wert) und den äußeren Verlusten der ringförmigen Zone C_nan (periphere Zone, Lager und Dichtung).
– Der mittlere Radius des Spalts,
– Die durch den mittleren Radius des Spalts auf der Höhe der Versuchszone entwickelte Oberfläche.

Der Reibungskoeffizient ist definiert durch:
Für eine für eine vorgegebene Reynolds-Zahl Re lässt man den Rauheitswert ε der Oberfläche oder Eichwand mit einem Drehmomentwert oder einem Scherkraftwert oder einem Reibungskoeffizientwert korrespondieren. Man etabliert eine Gesamtheit von Drehmomentwerten, die es ermöglichen, eine Beziehung zwischen der auf der Eichwand gemessenen Rauheit und dem einen oder anderen obigen Parametern zu etablieren. Die Beziehung kann in Form eines Kurvennetzes gegeben werden, wobei jede Kurve einem vorgegebenen Re-Wert in einem Diagramm entspricht, wo die Abszisse der Rauheit und die Ordinate dem Parameter entspricht, der gewählt wird, oder auch in Form einer Gleichung.
Es ist diese Gesamtheit von Daten, die als Basis zum Bestimmen der hydraulischen Merkmale einer Wand aus Drehmomentmessungen dienen wird, wie nachfolgend beschrieben.
In dem Fall, wo man gleichzeitig zwei Wände testet, die im Wesentlichen identische oder identische Merkmale haben, wird das Netz von Bezugskurven etabliert, indem Reibungsmessungen berücksichtigt werden, die unter Ausrüstung dieser Vorrichtung mit Eichwänden auf der Trommel und auf dem Innenteil des Innenraums erhalten werden und indem ein ähnlicher Ansatz zu jenem, der dargelegt werden wird, verfolgt wird.
Messschritt zum Etablieren der hydraulischen Merkmale von Wänden
Die beim obigen Schritt verwendeten Eichwände werden durch eine oder zwei wie in der 2 angeordnete Wände ersetzt.
Die Versuche werden bei einem Reynoldswert durchgeführt, für den eine Rauheitseichung verfügbar ist.
Man misst die Rotationsgeschwindigkeit und das Drehmoment mithilfe von Messvorrichtungen N und eines Drehmomentmessers C.
Die Scherkraft wird durch die Formel (2) erhalten und der Reibungskoeffizient durch die Formel (3).
Ausgehend von der Reynolds-Zahl Re, dem Reibungskoeffizient und der vorher konstruierten Datengesamtheit (Eichgleichung unter Bezug entweder auf eine Gesamtheit von Daten bezüglich einer Wand, oder auf eine Gesamtheit von Daten, die in einem Fall eines Tests auf zwei identischen oder im Wesentlichen identischen Wänden etabliert sind, wobei die Wände gegenüber in der Messvorrichtung angeordnet sind), leitet man daraus den Wert des hydraulischen Rauheitskoeffizienten ab.
Dieser Parameter ermöglicht es, die aerodynamischen Eigenschaften der getesteten Wand oder Wände zu charakterisieren.
In bestimmten Fällen weisen die getesteten Wände einen Reibungsfaktorwert f_s unter dem Reibungskoeffizient f_l einer Eichwand auf, die aus einem Referenzmaterial besteht.
In diesem Versuchsfall, z. B. Schlieren bzw. Streifen, etabliert man einen hydraulischen Effizienzwert der Wand durch die folgende Formel:
Vorteilhaft ist es möglich, die Dissipativverluste zu berücksichtigen, um die aerodynamischen Charakteristiken einer Wand zu bestimmen.
Für eine mit Dichtmitteln ausgerüstete Vorrichtung wie jene in der 1 beschriebene kann das Drehmoment C_dis, das dem Dissipativverlust in der ringförmigen Zone entspricht, so durch die Differenz zwischen dem Drehmoment erhalten werden, das der Gesamtheit der Verluste C_Tot (Wert gemessen auf der Welle) entspricht, und den äußeren Verlusten der ringförmigen Zone C_nan (periphere Zonen, Lager und Dichtungen). Die Verluste C_nan werden etabliert, indem die Leitungen 16 und 17 durch Versuchsgas unter Aufrechterhalten des Drucks in den Zonen 10b und 10c bei Atmosphärendruck und unter Druckentlasten der Zone 10a versorgt werden (Druck z. B. ein Zehntel des Atmosphärendrucks) und indem das der Trommel übertragene Drehmoment gemessen wird, das in dem Fall annähernd gleich Cnan ist.
Die 3 schematisiert eine andere Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung, wo die Dichtmittel auf dem Niveau der Rotationswelle angeordnet sind. Diese Variante unterscheidet sich hauptsächlich von jener der 1 auf Grund der Tatsache, dass die Dichtungen physikalisch nicht drei Zonen trennen, im Gegensatz zur in 1 beschriebenen Vorrichtung.
In diesem Fall umfasst die Vorrichtung eine einzige Versuchszone 40a, 40b, 40c, welche sich bei dem Druck befindet, bei dem der Versuch durchgeführt wird.
Die zu testenden Hüllen oder Wände, bezeichnet jeweils mit 41 und 42, sind auf der äußeren zylindrischen Wand der Trommel und der inneren Wand des Innenraums angebracht. Deren Länge entspricht im Wesentlichen der Höhe der Trommel und der Innenhöhe des Innenraums 2.
Ein Ausführungsbeispiel dieser Vorrichtung sowie seine Eichung nimmt die oben in Bezug mit der 1 oben dargelegten Schritte wieder an. Man berücksichtigt lediglich die Gesamtheit der Gesamtverluste C_Tot, um das oder die Netze von Kurven zu etablieren, welche als Basis zum Vergleich und zum Realisieren des Eichens der Vorrichtung dienen.
Die Abzugsleitungen 16 und 17 sind in dieser Variante nicht mehr notwendig (die eventuellen Testfluidverflüchtigungen durchlaufen das Niveau der Dichtungen) 9a und 9b, die auf dem Niveau der Rotationswelle angeordnet sind.
Zusammenfassend unterscheiden sich die beiden veranschaulichenden und keinesfalls begrenzenden gezeigten Varianten in folgender Weise.
Vorteilhaft kann die Vorrichtung auch mit Vorrichtungen wie Testrohren 19 versehen sein, die es ermöglichen, das Geschwindigkeitsprofil des Druckgases bei turbulentem Umlauf in der ringförmigen Zone oder der Versuchszone 10a, 40a zu bestimmen. Es ist so möglich, die Berechnungspräzision zu verfeinern, indem der Mittelwert der Geschwindigkeit Va durch einen repräsentativen Wert ersetzt wird, der ausgehend von dem gemessenen Geschwindigkeitsprofil erhalten wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Versuchszone 10a, 40a zylindrisch über den größeren Teil ihrer Länge, aber man kann, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, eine Trommel und einen Innenraum verwenden, die irgendwelche Drehflächen haben.
Die Vorrichtungen wie in den 1 bis 3 beschrieben, können aus abnehmbaren Elementen (Hüllen) bestehen, die sich auf dem Außenteil der Trommel und/oder dem Innenteil des Innenraums für den Test von Wänden anbringen lassen.
Diese Wände werden mit dem Fachmann bekannten Mitteln ausgerüstet werden, um das Material, die untersuchte Wand oder die untersuchten Wände platziert zu halten.
Die Vorrichtung wird modulierbar sein, wie es möglich sein wird, den Wert der Spaltbreite variieren zu lassen unter Hinzufügung einer Scheibe, die um die Trommel herum positioniert ist. Diese Scheibe wird auf dem Niveau der Trommel oder der Rotationswelle befestigt sein können.
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ermöglicht es vorteilhaft, aerodynamische Eigenschaften von Wänden der nachfolgend beispielhaft und keinesfalls begrenzend gegebenen Liste zu bestimmen: Streifen bzw. Schlieren, Rauheiten, eine fabrizierte Oberfläche, eine korrodierte Oberfläche, eine ausgekleidete Oberfläche, Gel oder Flüssigkeit an der Wand, Singularitäten, ...
Die Vorrichtung kann auch mit einer Leitung ausgerüstet sein (nicht in den Figuren dargestellt), die es ermöglicht, Produkte oder Zusätze einzuspritzen, die sich auf der Wand abscheiden können und die aerodynamischen Eigenschaften der Wand verändern können.

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung der aerodynamischen Merkmale wenigstens einer Wand, umfassend – wenigstens eine Rotationswelle (3), – eine Trommel (1), die auf der Rotationswelle angebracht ist, – eine Einfassung (2), in der sich die Trommel angeordnet befindet, derart dass sie einen Raum (10) definiert, der wenigstens eine Versuchszone (10a; 40a), ausgerüstet mit der wenigstens einen zu testenden Wand, umfasst, – wenigstens eine Leitung (12) zur Einführung eines Testfluids, die mit der Versuchszone (10a; 40a) kommuniziert, – Vorrichtungen, die es ermöglichen, einen Parameter zu bestimmen, der für den Reibungsfaktor des Fluids in der Versuchszone (10a; 40a) repräsentativ ist, dadurch gekennzeichnet, dass – die Versuchszone (10a; 40a) eine bestimmte Luftspaltbreite (1) für eine vorgegebene Rotationsgeschwindigkeit der Trommel hat und das Testfluid bekannte Merkmale derart hat, dass das Fluid im turbulenten Strömungsbereich auf der Ebene der wenigstens einen zu testenden Wand vorliegt, wobei der turbulente Bereich einem vorgegebenem Reynolds-Wert Re entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trommel (1) über wenigstens einen Teil ihrer Höhe zylindrisch ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie Dichtungsmittel (9a, 9b) umfasst, die derart ausgelegt und angeordnet sind, dass sie drei Zonen begrenzen, eine erste Versuchszone (10a) hohen Drucks und zwei Zonen (10b, 10c) niedrigen Drucks.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Leitungen (12, 13, 14) zur Einführung des Testfluids auf der Ebene der Dichtungsmittel (9a, 9b) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie Dichtungsmittel (9a, 9b) umfasst, die auf der Ebene der Rotationswelle angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit Mitteln (C_ρ, C_γ) ausgerüstet ist, die es ermöglichen, den Druck und/oder die Temperatur auf der Ebene der Versuchszone (10a, 40a) zu bestimmen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie Sensoren wie Pitotrohre (19) umfasst, um die lokale Geschwindigkeit des Fluids zu bestimmen und daraus das Geschwindigkeitsprofil in der ringförmigen Zone (10a; 40a) abzuleiten.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Heiz- und/oder Kühlsystem umfasst.
Verfahren, das es ermöglicht, die aerodynamischen Merkmale einer Wand zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, dass: – man ein Testfluid in eine Versuchszone einführt, die die zu testende Wand oder die zu testenden Wände umfasst, wobei die Versuchszone zwischen einer feststehenden Einfassung und einem beweglichen Element gelegen ist, – man das bewegliche Element in Rotation versetzt, – man den Druck und die Rotationsgeschwindigkeit des beweglichen Elements derart wählt, dass die gewünschte Reynolds-Zahl erhalten wird, – man die Dissipationsverluste in der Einfassung bestimmt, – man die Schubspannung sowie den Reibungsfaktor bestimmt, – man den Wert der Schubspannung oder jenen des Reibungsfaktors im Verhältnis zu einer Datengesamtheit vergleicht, die aus Vergleichswänden für einen gleichen Wert der Reynolds-Zahl etabliert sind, wie jenen, den man für die Charakterisierung wählt, und – man den Wert der hydraulischen Charakteristik wie der Rauheit und Hydraulik oder der hydraulischen Effizienz der zutestenden Wand oder Wände bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass man die Dissipationsverluste in der Einfassung auf der Ebene der Versuchszone bestimmt, die durch Dichtmittel (9a, 9b) begrenzt ist, die derart angeordnet sind, dass sie drei Zonen begrenzen, eine erste Versuchszone (10a) und zwei Zonen (10b, 10c).
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und des Verfahrens nach einem der Ansprüche 9 bis 10 zur Untersuchung von Wänden einer Leitung, die zur Beförderung eines Druckgases vorgesehen ist.