Kurzeinführung © 2003 Flowmaster International Ltd. The information supplied in this document is for informational purposes only and is subject to.
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Kurzeinführung
© 2003 Flowmaster International Ltd. The information supplied in this document is for informational purposes only and is subject to change without notice. The mark Flowmaster is a community Trade Mark of The Flowmaster Group BV.
Flowmaster is a registered trademark of The Flowmaster Group BV in the USA and Korea. The names of actual companies and products mentioned herein may be the trademarks of their respective owners.
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Inhalt
Programmsystem Flowmaster
Hintergrund und Arbeitsweise, Programmstruktur
Beispiel1 – Rohrsystem
Programmhandling, Ergebnisbetrachtung
Beispiel2 – Durchflussbestimmung
Nachrechnen der Musterlösung zu Beispiel 8.2b, S.193 des Buches
Beispiel3 – Druckstoßbetrachtung
Durchführung einer einfachen transienten Analyse
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Hintergrund und Arbeitsweise
Das Programmsystem Flowmaster ist ein einphasiges 1-D
Strömungssimulationssystem auf Grundlage der Stromfadentheorie.
Flowmaster ist modular aufgebaut. Dadurch wird es ermöglicht, die Module
auszuwählen, welche für die anwendungsspezifischen Aufgabenstellungen
relevant sind.
Der modulare Aufbau unterscheidet zwischen stationären und transienten
(zeitabhängigen) Analysen für inkompressible Medien (Flüssigkeiten) mit
und ohne Wärmeübertragung und für kompressible Medien (Gase).
Ein Flowmaster-Berechnungsmodell gliedert sich grundsätzlich in so
genannte Komponenten und Knoten.
Im Bereich der Rohrleitungen wird zur Lösung der beschreibenden,
eindimensionalen Differentialgleichungen für instationäre Aufgabenstellungen das Charakteristikenverfahren angewendet.
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Hintergrund und Arbeitsweise
In den Komponenten wird das fluid- und thermodynamische Verhalten realer
Bauteile mit Hilfe von mathematischen Modellen und/oder empirischen
Daten in Form von Kennlinien und/oder Kennfeldern simuliert oder Randbzw. Anfangsbedingungen gesetzt. Die in einer Datenbank hinterlegten
Messdaten, z.B. für die Druckverlustkoeffizienten, beruhen auf Messungen
von D.S. Miller (Internal Flow Systems). Die Datenbank kann vom Anwender
mit Daten aus anderen Quellen bzw. eigenen Messungen ergänzt werden.
Bei der Verwendung dieser Druckverlustkoeffizienten werden entweder
automatisch Korrekturen entsprechend des jeweiligen
Reynoldszahlbereiches vorgenommen oder, wie im Fall des Rohres,
adäquate Gleichungen verwendet.
Die Verbindung zwischen den Komponenten wird über Knoten hergestellt.
Diese haben keine geometrische Ausdehnung, sind masselos und rufen bei
ihrer Durchströmung keinen Druckverlust hervor. Die Summe aller zu- und
abströmenden Fluidmassenströme ist gleich Null.
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Hintergrund und Arbeitsweise
Flowmaster2 gliedert sich in zwei grundsätzliche Hauptmodule:
-
Single Phase Incompressible/Compressible
Module zur Berechnung von Strömungen mit 1-phasigen, inkompressiblen Medien (i. d. R. Flüssigkeiten),
z.B. für Wasserversorgungssysteme, Kühlsysteme und Druckstoßberechnungen.
Module zur Berechnung von Strömungen mit 1-phasigen, kompressiblen Medien (Gase),
z.B. für Gasversorgungssysteme, Darstellung von Befüllungsvorgängen oder Rohrleitungsbrüche.
-
Fluid Power
Module für die Berechnung von z.B. Hydrauliksystemen, Kraftstoffeinspritzungen, Schmiersysteme
von Kraftfahrzeugmotoren u. a. m.
Die beiden Hauptmodule unterscheiden sich durch zum Teil
unterschiedliche
Komponenten
und
durch
die
Verwendung
unterschiedlicher Datenbanken.
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Hintergrund und Arbeitsweise
Dieser Aufbau spiegelt sich auch in der
Art der Datenverwaltung wieder.
Flowmaster2 verwendet für das
Speichern von Kennlinien, Kennfeldern,
Einheitensätzen oder Fluiddaten ein
Datenbank-Verzeichnis (flows_db bzw.
power_db) und für die Informationen
wie das Netzwerk aufgebaut ist ein
Benutzer-Verzeichnis (flows_ud bzw.
power_ud).
Bei der Berechnung greifen die
Komponenten z. T. auf die in der
Datenbank hinterlegten Informationen
zurück.
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Hintergrund und Arbeitsweise
Beide Hauptmodule stellen verschiedene Untermodule (insgesamt 19) für
unterschiedliche Anwendungen zur Verfügung. Die wichtigsten davon sind:
Single Phase:
Inkompressibel, stationär (SS)
Inkompressibel, transient (ST)
Inkompressibel, stationär mit Wärmebetrachtung (SSH)
Inkompressibel, transient mit Wärmebetrachtung (STH)
Kompressibel, stationär (CS)
Kompressibel, transient (CT)
Fluid Power:
Inkompressibel, stationär (FS)
Inkompressibel, transient (FT)
Inkompressibel, stationär mit Wärmebetrachtung (FSH)
Inkompressibel, transient mit Wärmebetrachtung (FTH)
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Beispiel 1
Beispiel1 – Berechnungen an einem verzweigten
Rohrnetz
Anhand eines einfachen, verzweigten Rohrnetzes sollen nun zunächst die
Grundfunktionen von Flowmaster dargestellt werden. Das Netz ist in seiner
Struktur der Bild 8-23 auf Seite 189 des Buches nachempfunden.
Im Beispiel wird in mehreren Schritten gezeigt,
wie ein Projekt eröffnet wird,
wie ein Netzwerk in Flowmaster aufgebaut wird,
wie Parameter für einzelne Komponenten gesetzt werden und
wie eine stationäre Berechnung gestartet wird.
Danach wird anhand des erzeugten Ergebnisses gezeigt, wie berechnete
Werte dargestellt werden können.
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Beispiel 1
Beschreibung des analysierten Systems:
Das auf der nachfolgenden Folie gezeigte Netz soll aus zwei Hauptbehältern
bestehen, aus denen mit Hilfe zweier Pumpen Wasser in ein höher
gelegenes System gepumpt wird.
Es soll untersucht werden, ob in dem System an mehreren Stellen die
Entnahme eines Volumenstroms von 0.01 m³/s möglich ist, ohne im Netzwerk
den Umgebungsdruck zu unterschreiten. Als Zwischenspeicher stehen ein
Hochbehälter und ein Druckbehälter auf verschiedenen Ebenen.
Zur Druckerhöhung sind zwei weitere Pumpen im System platziert.
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Beispiel 1
Slide 11
Beispiel 1
Schritt 1:
Erzeugung eines neuen Projektes
Vor dem Erzeugen des neuen Projektes müssen in Flowmaster zunächst
die Datenbank (in diesem Fall flows_db) und das Benutzer-Verzeichnis
(flows_ud) registriert werden. Diese liegen standardmäßig unter:
C:\Dokumente und Einstellungen\All Users
\Anwendungsdaten\Flowmaster\Flowmaster2
Die Dateien können je nach Systemeinstellung versteckt sein. Wie die
entsprechenden Dateien registriert werden, sehen Sie hier:
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Beispiel 1
Schritt 1:
Erzeugung eines neuen Projektes
Nun müssen Sie als nächstes ein neues
Projekt erzeugen.
Klicken Sie hierzu im Hauptmenü unter
„File“ auf „New Project“. Geben Sie in
dem sich öffnenden Fenster einen
Namen für das Projekt ein und
bestätigen Sie, indem Sie auf „OK“
klicken. Danach wird sich das hier
gezeigte Fenster öffnen.
Erzeugen Sie innerhalb des neuen
Projekts ein neues Netzwerk indem Sie
im unteren Teil auf „New“ klicken.
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Beispiel 1
Schritt 1:
Erzeugung eines neuen Projektes
Nachdem das neue Netzwerk
erzeugt wurde, öffnet sich die hier
gezeigte Ansicht.
Das dabei geöffnete Fenster dient
zur Eingabe von Daten der
einzelnen
Komponenten,
zum
Konfigurieren der Analysedaten und
anderen
Funktionen
die
das
Netzwerk betreffen.
Öffnen Sie nun das Fenster in dem
das Netzwerk erzeugt wird, indem
Sie auf die Schaltfläche „View
Network“ klicken.
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Beispiel 1
Schritt 2:
Aufbau des Netzwerkes
Nun könne Sie über die
Funktion „Window / Tile“ die
Fenster automatisch zueinander ausrichten.
Falls das Raster noch nicht
aktiv ist, können Sie es über
„Display / Grid“ aktivieren.
Die verschiedenen
Funktionsleisten können
über „View / Toolbars“
zugeschaltet werden. In der
gezeigten Ansicht sind die
folgenden aktiv:
Standard
Family
Commands
Text
Zoom
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Beispiel 1
Schritt 2:
Aufbau des Netzwerkes
Prinzipiell sind bei Flowmaster alle Komponenten in Gruppen (Families) gegliedert.
So stehen z. B. in der Gruppe „Junctions“ verschiedene Verzweigungen wie TStücke mit verschiedenen Anschlusswinkeln oder Y-Stücke zur Verfügung.
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Beispiel 1
Schritt 2:
Aufbau des Netzwerkes
Um eine bestimmte Komponente in das Netzwerk einzufügen, klicken Sie in der
Funktionsleiste auf die entsprechende Gruppe und in dem sich öffnenden Fenster
auf die entsprechende Komponente. Klicken Sie dann im Fenster für das
Netzwerkschema an die Stelle an der Sie die Komponente ablegen wollen.
Rohrleitungen werden in Flowmaster als eigene Komponenten behandelt, d. h.
andere Komponenten können direkt miteinander verbunden werden, wenn z. B.
das dazwischen liegende Stück Rohr vernachlässigt werden soll. Um eine
Rohrleitung einzufügen, klicken Sie zunächst in der Gruppe „Pipes“ auf den
entsprechenden Rohrtyp. Klicken Sie dann in Ihrem Netzwerk auf den Startpunkt
der Leitung, halten Sie den Mausknopf gedrückt und ziehen Sie die Leitung zu
Ihrem Endpunkt. Die graphische Darstellung im Netzwerk ist unabhängig von der
in der Rechnung verwendete Länge. Diese wird im Dateneingabefenster gesetzt.
Beispiele wie Komponenten ins Netzwerk eingefügt werden,
sehen Sie hier:
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Beispiel 1
Schritt 2:
Aufbau des Netzwerkes
Wie Sie gesehen haben verändert Flowmaster beim Einfügen von Komponenten
den Mauszeiger. Solange diese Änderung aktiv ist, wird bei jedem Klicken eine
neue Komponente eingefügt. Um Komponenten zu verschieben, müssen Sie
wieder in einen neutralen Modus wechseln. Dieser wird in Flowmaster als „Idle
Mode“ bezeichnet und Sie erreichen Ihn, indem Sie entweder mit der rechten
Maustaste klicken und „Idle Mode“ anwählen oder indem Sie die Taste für das
Leerzeichen drücken.
Zum Bearbeiten (z.B. löschen, verbinden oder drehen) von Komponenten stehen
in der „Command“ Funktionsleiste weitere Schaltflächen zur Verfügung:
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Beispiel 1
Schritt 2:
Aufbau des Netzwerkes
Beim Verbinden zweier Komponenten erzeugt
Flowmaster automatisch dazwischen einen so
genannten Knoten. Dieser dient als Bilanzstelle
zwischen den Komponenten. Er besitzt kein
Volumen und stellt keinen Widerstand dar. Jeder Arm
(Anschluss, „Branch“) einer Komponente kann
maximal mit einem Knoten verbunden werden und
im Gegenzug z. Z. maximal 10 Komponenten mit
einem Knoten.
Wie Sie im rechten Bild sehen, gibt es für jede
Komponente eine Definitionsrichtung für die
Durchströmung, welche meist mit einem Pfeil
ausgewiesen ist, der von Arm 1 zum Arm 2 weist.
Diese Definitionsrichtung muss nicht mit der später
berechneten Richtung übereinstimmen.
Bei Durchströmung in Definitionsrichtung sind
Ströme an Arm1 negativ (vom Knoten in die
Komponente) und an Arm 2 positiv (von der
Komponente zum Knoten).
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Beispiel 1
Schritt 2:
Aufbau des Netzwerkes
Beginnen Sie nun das dargestellte
Netzwerk aufzubauen. Die benötigten
Komponenten finden Sie in den
folgenden Gruppen:
„Pipes“ (Rohre)
„Valves“ (Ventile)
„Pumps“ (Pumpen)
„Reservoirs“ (Behälter)
„Sources“ (Quellen)
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Beispiel 1
Schritt 3:
Vorgabe der Daten
Nachdem Sie nun das Netzwerk aufgebaut haben,
beginnen Sie damit den Komponenten und Knoten
Daten zuzuweisen.
Dies geschieht im Dateneingabefenster.
Setzen Sie zunächst im Datenblatt „Setup“
(Grundeinstellungen) den „Analysis Type Data Filter“
auf
„Steady
State
(SS)“.
Damit
werden
Dateneingabefelder ausgeblendet, die für eine
stationäre, inkompressible Berechnung nicht benötigt
werden.
Aufgrund der Komplexität der verschiedenen
Komponenten wird im Beispiel auf nicht unbedingt
benötigte Daten nicht eingegangen. Information
hierzu entnehmen Sie bitte der „Reference Help“.
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Beispiel 1
Schritt 3:
Vorgabe der Daten - Rohrleitungen
Wechseln Sie als nächstes auf das Datenblatt
„Component Data“. Wählen Sie dort unter den in der
so
genannten
„Collection“
(Auswahlliste)
angezeigten
Komponenten
eine
beliebige
Rohrleitung aus und klicken Sie darauf.
Im unteren Teil des Fensters finden Sie nun
verschiedene Parameter aufgelistet. Bei einer
stationären, inkompressiblen Berechnung ohne
Wärmeübertragung müssen Sie zur Berechnung der
Reibung im Rohr nach Colebrook-White die
folgenden Daten angeben:
Länge der Rohrleitung
Rauheit der Rohrwand
Innendurchmesser der Rohrleitung
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Beispiel 1
Schritt 3:
Vorgabe der Daten - Rohrleitungen
Um die Vorgabe der Daten in diesem Beispiel möglichst
einfach zu halten, soll davon ausgegangen werden, dass
allen Komponenten gleichen Typs auch gleiche
Parameter zu Grunde liegen. Die Daten müssen also
jeweils bei einer Komponente eingegeben werden und
können dann auf die anderen Komponenten gleichen
Typs übertragen werden.
Geben Sie für die Rohrleitungen die folgenden Werte ein:
Length (Länge):
Absolute Roughness (Rauheit):
Diameter (Durchmesser):
5
0.02
0.1
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Beispiel 1
Schritt 3:
Vorgabe der Daten - Rohrleitungen
Zum Kopieren der gerade vorgegebenen Daten auf die anderen Rohrleitungen
folgen Sie der Anleitung in Video 3.
Wählen Sie beim Kopiervorgang die Option: „To components of the current family
in the collection“. Das bedeutet, dass die markierten Daten zu allen Elementen
des gleichen Typs kopiert werden, die auch in der im Dateneingabefenster
gezeigten Liste enthalten sind.
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Beispiel 1
Schritt 3:
Vorgabe der Daten - Kugelhähne
Klicken Sie nun in der Liste auf einen Kugelhahn (Ball Valve). Geben Sie die
folgenden Daten ein und kopieren Sie diese wie bei den Rohrleitungen auf die
anderen Komponenten.
Diameter (Durchmesser):
Valve Opening (Ventilstellung):
0.1
0.7
Der Wert „Valve Opening“ beschreibt die Öffnungsposition des Ventils, wobei ein
Wert von 0 gleichbedeutend mit vollständiger Schließung und ein Wert von 1 mit
vollständiger Öffnung ist. Die Kugelhähne sind also zu 70% geöffnet.
Grundsätzlich ist es möglich und sinnvoll, in Flowmaster eigene Ventilkennlinien
für das Widerstandsverhalten über dem Öffnungsgrad zu definieren. Hierauf
wurde aufgrund des Umfangs des Beispiels verzichtet.
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Beispiel 1
Schritt 3:
Vorgabe der Daten - Kegelsitzventile
Geben Sie für ein Ventil der Gruppe „Globe Valves“ nun die benötigten Daten ein
und kopieren Sie diese dann wie zuvor auf die anderen Kegelsitzventile. Der
Wert „Position“ entspricht bei diesem Ventil dem des Wertes „Valve Opening“ bei
den Kugelhähnen.
Diameter (Durchmesser):
Position (Ventilstellung):
0.1
1
Slide 26
Beispiel 1
Schritt 3:
Vorgabe der Daten - Senken
Definieren Sie nun an einer der „Flow Sources“ (Quelle oder Senke, je nach
Vorzeichen!) einen negativen Volumenstrom von 0.01 m³/s und kopieren Sie
diesen dann auf die anderen Senken. Alle anderen Werte wie z. B. „Fluid Type“
(verwendetes Medium) und „Constant Temperature“ (Temperatur des Mediums)
werden, wenn Sie in den Komponentendatenblättern nicht gesetzt sind, aus dem
Datenblatt „Analyse“ entnommen.
Slide 27
Beispiel 1
Schritt 3:
Vorgabe der Daten - Radialpumpen
Wie bei den Ventilen ist es auch bei den Pumpen möglich und im Allgemeinen
notwendig, eigene Kennlinien zu hinterlegen. Wir verwenden in diesem Fall
die Beispielkennlinien für eine Radialpumpe aus der Flowmaster Datenbank.
Flowmaster benötigt, um eine Skalierung dieser normiert abgelegten
Kennlinien vornehmen zu können, einen so genannten Referenzpunkt
(Nennbetriebspunkt, Punkt des besten Wirkungsgrades).
Die Angaben hierzu bestehen aus einem Volumenstrom, einer Förderhöhe,
einer Drehzahl bei der die Pumpenkennlinien aufgenommen wurden, der
Betriebsdrehzahl (bzw. Startdrehzahl „Initial Speed“) und einer Leistung bzw.
einem Wirkungsgrad.
Aus diesen Daten werden dann mit Hilfe der Pumpenkennlinien (Förderhöhe
und aufgenommene Leistung als Funktion des Volumenstroms bei „Rated
Speed“ (Referenz Drehzahl) die Daten der Pumpe bei der tatsächlichen
Drehzahl („Initial Speed“) ermittelt (Affinitätsgesetz).
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Beispiel 1
Schritt 3:
Vorgabe der Daten - Radialpumpen
Geben Sie die folgenden Werte vor:
Rated Flow (Referenz Volumenstrom):
Rated Head (Referenz Förderhöhe):
Rated Speed (Referenz Drehzahl):
Rated Efficiency (Referenz Wirkungsgrad):
Initial Speed (tatsächliche Drehzahl):
0.4
40
1000
0.6
1000
<>
Kopieren Sie diese Werte dann auf die anderen Pumpen.
Zusätzliche Informationen zum Flowmaster Pumpenmodell sowie zu allen anderen
Komponenten finden Sie in der Flowmaster Reference Help.
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Beispiel 1
Schritt 3:
Vorgabe der Daten - Versorgungsbehälter
Nun sollen die Daten für die beiden untersten Behälter vorgegeben werden. Es
handelt sich dabei um Behälter mit konstantem Füllspiegel (Reservoir: ConstHead). Dies wäre z. B. dann der Fall, wenn aus einem sehr großen Becken nur
verhältnismäßig kleine Mengen entnommen werden. Für diesen Typ Behälter
muss die Höhe definiert werden auf dem der Behälter steht, der Füllstand des
Beckens über dem Auslass sowie der Durchmesser des Anschlussrohres. Einund Austrittsverluste werden bei diesem Behältertyp vernachlässigt, könnten aber
über weitere Komponenten berücksichtigt werden.
Pipe Diameter (Anschlussdurchmesser):
Liquid Level above Base (Füllhöhe):
Base Level above Reference (Anschlussniveau):
0.1
3
0
Kopieren Sie diese Werte anschließend auf den zweiten Behälter.
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Beispiel 1
Schritt 3:
Vorgabe der Daten - Hochspeicher
Bei der Komponente die für den Hochspeicher verwendet wird, handelt es sich um
einen 2-armigen Behälter (Reservoir: 2 Arm). Ein- und Austrittsverluste werden
bereits in der Komponente erfasst. In den dafür vorgesehenen
Widerstandskoeffizienten können vereinfacht auch Einbauten wie Siebe oder
Rückflussverhinderer aufgenommen werden. Für jeden Anschluss müssen also die
Werte für die Widerstandskoeffizienten in beiden Fließrichtungen, der
Durchmesser, sowie die Höhe des Anschlusses über dem Behälterboden definiert
werden.
Zusätzlich muss die Gesamthöhe des Behälters und die Querschnittfläche
bestimmt werden, um das Volumen des Behälters fest zu legen. Ähnlich wie beim
Behälter mit konstanter Füllhöhe muss auch für diesen Behälter angegeben
werden, auf welcher Höhe er steht und wie sein (Anfangs-) Füllstand ist. Für eine
stationäre Berechnung wird dieser Füllstand als konstant vorausgesetzt. Erst in
einer instationären Berechnung würde die Variabilität des Füllstandes
berücksichtigt.
Slide 31
Beispiel 1
Schritt 3:
Vorgabe der Daten - Hochspeicher
Slide 32
Beispiel 1
Schritt 3:
Vorgabe der Daten - Druckbehälter
Der Druckbehälter (Reservoir: Expan) arbeitet ähnlich wie der für den
Hochspeicher verwendete Behälter. Im Gegensatz zu diesem handelt es sich
jedoch nicht um einen offenen Behälter, sondern um einen geschlossenen,
dessen Innendruck von der Änderung der Füllhöhe bzw. der Temperatur abhängig
ist.
Ähnlich wie bei realen Druckbehältern gibt es die Möglichkeit bestimmte
Grenzdrücke zu setzen bei denen der Behälter entweder be- oder entlüftet wird.
Die Daten für die Komponente können der folgenden Folie entnommen werden.
Slide 33
Beispiel 1
Schritt 3:
Vorgabe der Daten - Druckbehälter
Slide 34
Beispiel 1
Schritt 4:
Vorgabe der Daten - Knoten
Um bei der Berechnung Höhenunterschiede im
Netzwerk zu berücksichtigen, müssen nach der
Eingabe der Daten der Komponenten auch den
Knoten Werte zugewiesen werden.
Wechseln Sie hierzu auf das Datenblatt „Node
Data“. Tragen Sie dann für die verschiedene
Knoten die auf der nächsten Folie gezeigten Werte
in der Spalte „Level“ (Niveau) ein.
Slide 35
Beispiel 1
Schritt 4:
Vorgabe der Daten - Knoten
Slide 36
Beispiel 1
Schritt 5:
Starten der Analyse
Um die Analyse zu starten wechseln Sie auf das
Datenblatt „Analyse“. Schalten Sie dort im Feld
„Analysis Type“ (Analyseart) um auf „Steady State
(SS)“.
Im unteren Teil des Datenblattes im Fenster
„General
Analysis
Data“
sind
bereits
Standardwerte für „Liquid Type“ (Medium),
„Ambient Temperature“ (Umgebungstemperatur)
und „Atmospheric Pressure“ (Umgebungsdruck)
gesetzt. Der eingestellte Liquid Type (1) entspricht
dem Medium Wasser (einzustellen über die
Schaltfläche „Options“).
Führen Sie nun eine Analyse durch, indem Sie auf
„Start“ klicken. Weitere Beschreibungen finden Sie
auf der nächsten Folie.
Slide 37
Beispiel 1
Schritt 5:
Starten der Analyse
Nachdem Sie im Datenblatt „Analyse“ auf „Start“ geklickt haben, werden Sie, falls Sie dies nicht
vorher bereits getan haben, zunächst gefragt, ob Sie die Änderungen am Netzwerk speichern
wollen. Bitte bestätigen Sie dies. Anschließend kann die Analyse gestartet werden.
In dem sich nun öffnenden Fenster wird Ihnen anhand eines blauen Balkens der Fortschritt der
Analyse angezeigt. Da es sich hier um ein vergleichsweise einfaches Netzwerk handelt, wird
dieser Balken maximal ganz kurz zu sehen sein.
Bei korrekter Vorgabe aller Daten sollte sich abschließend ein Fenster öffnen, bei dem als
Statusmeldung unter „Success ?“ eine Bestätigung erscheint. Ist dies der Fall, öffnen Sie mit
einem Klicken auf „Results“ das Ergebnisfenster. Starten Sie nun bitte die Animation.
Slide 38
Beispiel 1
Schritt 6:
Auswerten der Analyse
Zur Auswertung des Ergebnisses schalten
Sie zunächst im Ergebnisfenster auf das
Datenblatt „Component Results“. Lassen Sie
sich dort über die Funktion „Collect“ / „All“
dann alle Komponenten auflisten. Sie haben
dann die Möglichkeit einzelne Ergebnisse
der Komponenten zu betrachten, indem Sie
sie in der Liste anwählen.
Slide 39
Beispiel 1
Schritt 6:
Auswerten der Analyse
Eine weitere Möglichkeit Ergebnisse
darzustellen, besteht darin sich bestimmte
Werte wie z.B. Volumenstrom oder
Strömungsgeschwindigkeiten im Netzwerk
anzeigen zu lassen.
Aktivieren Sie diese Funktion in dem Sie im
Datenblatt „Component Results“ den
entsprechenden Wert im Fenster „Attribute“
auswählen und dann über die Schaltfläche
„Draw“ ausführen.
Für den Volumenstrom in m³/s ergibt sich
die auf der folgenden Folie dargestellte
Verteilung.
Slide 40
Beispiel 1
Schritt 6:
Auswerten der Analyse
Es zeigt sich, dass der Druckbehälter stärker
befüllt wird, als ihm Volumen entnommen
wird. Hier ist also zunächst mit einem
Ansteigen des Druckes zu rechnen.
Der Hochspeicher wird bei den aktuellen
Ventileinstellungen an beiden Anschlüssen
befüllt. Der Flüssigkeitsspiegel würde also
steigen.
Dies könnte im Weiteren mit einer
instationären Analyse untersucht werden.
Slide 41
Beispiel 1
Schritt 6:
Auswerten der Analyse
Um die Druckverteilung im Netzwerk zu
begutachten und damit die Frage ob
Kavitation
bei
den
geforderten
Volumenströmen an den Austritten auftritt,
wechseln Sie auf das Datenblatt „Node
Results“ des Ergebnisfensters.
Fügen Sie auch hier zunächst über die
Funktion „Collect“ - „All“ alle Knoten zur Liste
hinzu.
Wie bei den Komponenten können Sie sich
über die Funktion „Draw“ Werte im Netzwerk
darstellen lassen Totaldrücke (Pressure)
sowie die Drücke auf die Knotenhöhe
(Pressure at Node Level)
Slide 42
Beispiel 1
Schritt 6:
Auswerten der Analyse
Bei der Betrachtung der Drücke bezogen auf
die Höhenlage der Knoten fallen zwar einige
Stellen mit niedrigem Druckniveau auf, dabei
liegt jedoch der niedrigste Druck von 0.31
bar immer noch deutlich über dem
Dampfdruck von Wasser bei 20°C (~0.023
bar).
Dennoch
wird
man
diese
Werte
insbesondere im Saugbereich der Pumpe
nicht zulassen wollen und nun mit Hilfe des
Modells Parameteränderungen untersuchen,
die geeignet sind, den Druck über
Umgebungsdruck zu heben.
Slide 43
Beispiel 1
Zusammenfassung der durchgeführten Schritte
Anhand des berechneten Beispiels haben Sie nun einige Grundfunktionen sowie Teile der
Benutzeroberfläche von Flowmaster kennen gelernt.
Grundsätzlich lässt sich die Vorgehensweise zum Modellieren eines Systems in die
durchgeführten 6 Grundschritte aufteilen:
1)
2)
3)
4)
5)
6)
Erzeugen eines neuen Projektes
Abbilden des Systems als Netzwerk
Eingeben der Daten der Komponenten
Falls erforderlich Eingeben der Lage der Knoten
Durchführen der Analyse
Auswerten und Überprüfen der berechneten Ergebnisse.
Als 7. Schritt können dann Parametervariationen berechnet werden. Vertiefen Sie diese
Vorgehensweise nun Anhand von Beispiel 2.
Slide 44
Beispiel 2
Beispiel2 – Durchflussbestimmung
Nachrechnen der Musterlösung zu Beispiel 8.2b, S.193
Anhand der auf Seite 193 dargestellten Aufgabe 8.2b soll demonstriert werden, wie mit
Hilfe von Flowmaster strömungstechnische Probleme effizient gelöst werden können.
In diesem Fall handelt es sich um die Bestimmung eines Durchflusses, der sich
aufgrund des Anlagenwiderstandes bei einem bestimmten Druckverhältnis einstellt.
Diese Berechnung ist wie auch in der Musterlösung gezeigt nur iterativ zu lösen, da der
Widerstand abhängig vom Durchfluss ist.
Slide 45
Beispiel 2
Aufbau eines Berechnungsmodells:
Um die im Buch beschriebene Aufgabe 8.2b zu lösen, wurde ein passendes Modell
erstellt.
Dabei werden die Komponenten, deren Widerstandsverhalten durch einen Zeta-Wert
bestimmt sind, zu einem „Discrete Loss“ (nicht näher bestimmter Widerstand)
zusammengefasst.
Die für die Rohrleitungen angegebene äquivalente Rauheit von k=0.04mm kann direkt
in Flowmaster verarbeitet werden.
Die Methode zur Darstellung eines über eine Gleichung definierten Druckverlustes
wird nachfolgend demonstriert.
Slide 46
Beispiel 2
Darstellung des Kondensatorwiderstandes:
Die für das Widerstandsverhalten des Kondensators angegebene, spezielle Funktion:
1 .78
p K 0 .2 m
wird durch die Einbindung eines Skriptes umgesetzt. Dieses wird mit einer
Komponente aus der Gruppe der „Com-Controller“ (Steuerelemente) sowie einer
Komponente der Gruppe „Miscellaneous“ (Verschiedene) verarbeitet.
Slide 47
Beispiel 2
Berechnungsmodell:
Das erzeugte Berechnungsmodell entspricht in seiner Form dem hier gezeigten
Schema.
Slide 48
Beispiel 2
Komponenten des Berechnungsmodells:
Komp.1: Reservoir: Const-Head
Pipe Diameter (Anschlussdurchmesser)
Liquid Level Above Base (Füllhöhe)
Base Level Above Reference
(Niveau)
Surface Pressure (Behälterluftdruck)
0.9
1
8
1
Komp.2: Discrete Loss
Area (Querschnittsfläche)
Forward Flow Loss Coeff. (Zeta in Hauptrichtung)
Reverse Flow Loss Coeff. (Zeta in Gegenrichtung)
Hydraulic Diameter (hydraulischer Durchmesser)
0.636173 m2
3.9
3.9
0.9
m
m
m
m
bar
Slide 49
Beispiel 2
Komponenten des Berechnungsmodells:
Komp.3: Gauge: Template
Input Connection (Eingangstyp)
Algorithm Type (interne Verarbeitungsmethode)
Script / Equation Identifier (Name des Skriptes)
Output Quantity (Einheit des Ausgangssignals)
Output Initial Value (Ausgangsstartwert)
Output Clipping - min value (kleinster Ausgangswert)
Output Clipping - max value (grösster Ausgangswert)
Das Script N:1 trägt den Titel „Kondensatorfunktion“ und
steht in der Library „Network_Control“ zur Verfügung. Es
dient zur Umrechnung des Massenstroms am Ausgang
von Komponente 2 in die Druckdifferenz, welche an
Komponente 4 angelegt wird. Wie Sie das Script hinterlegen
sehen Sie hier:
100
2
N:1
39
0.5
0
10
bar
bar
bar
Slide 50
Beispiel 2
Komponenten des Ersatznetzwerks:
Komp.4: Generic (frei definierbare Komponente)
keine Eingaben erforderlich
Komp.5: Pipe: Cylindrical (Rohrleitung)
Length
Friction Option
Absolute Roughness
Diameter
400
1
0.04
0.9
m
mm
m
(Länge)
(Reibungsart)
(Rauheit)
(Durchmesser)
m
m
m
bar
(Anschlussdurchmesser)
(Füllhöhe)
(Behälterniveau)
(Behälterluftdruck)
Komp.6: Reservoir: Const-Head (Behälter mit konst. Füllstand)
Pipe Diameter
Liquid Level Above Base
Base Level Above Reference
Surface Pressure
0.9
1
0
1
Slide 51
Beispiel 2
Erläuterungen zum Ersatznetzwerk:
Ober- und Unterwasserkanal werden im Ersatznetzwerk jeweils durch eine ReservoirKomponente dargestellt (Komponente 1 und 6). Es handelt sich dabei um „ConstantHead“ Reservoire, die unabhängig von der entnommenen Flüssigkeit den gleichen
Füllstand bewahren. Die Höhendifferenz wird durch die Referenzierung der Reservoire
mittels der Größe „Base Level above Reference“ definiert.
Die Komponente 2, Discrete Loss, steht stellvertretend für die mittels eines Zeta-Wertes
definierten Widerstände. Diese Komponente ermöglicht die Beschreibung von
Widerständen auf vielfältige Weise [z. B. Zeta=f(Re), Druckverlust=f(Volumenstrom)].
Prinzipiell wäre diese Komponente auch für die Modellierung des Kondensatorwiderstandes geeignet.
Die Kombination der Komponenten 3 und 4 dient zur Darstellung des Kondensatorwiderstandes. Hierzu wird mit der Komponente 3 der Massenstrom gemessen und über
das hinterlegte Skript, der an Komponente 4 anzulegende Druckverlust berechnet.
Abschließend wird mit Komponente 5 eine Rohrleitung modelliert, die den Angaben der
Aufgabenstellung entspricht.
Slide 52
Beispiel 2
Starten der Berechnung:
Starten Sie nun eine Berechnung im
Modus „Steady State“ (SS) unter
Verwendung der Standard-Werte.
Bei
erfolgreich
Rechnung beginnen
Auswertung.
durchgeführter
Sie mit der
Slide 53
Beispiel 2
Auswertung der Strömungsgeschwindigkeit:
Wie im unteren Schema gezeigt stellt sich im Netz eine Geschwindigkeit von ca. 1.9
m/s ein. Dieser Wert entspricht auch dem in der Musterlösung ermittelten Wert. Für
die Komponenten „Gauge: Template“ und „Generic“ können aufgrund der fehlenden
Geometriedaten keine Geschwindigkeiten ermittelt werden.
Strömungsgeschwindigkeit (m/s)
Slide 54
Beispiel 2
Auswertung der Druckverteilung:
Bei der Betrachtung der Drücke zeigt sich, dass zwischen Systemeintritt und Austritt
eine Druckdifferenz von etwa 78300 Pa anliegt. Die Abweichung zu den in der
Musterlösung angenommenen 78400 Pa beruht auf der unterschiedlich verwendeten
Dichte (998.2Kg/m³ statt 1000 Kg/m³).
Reservoir:Const-Head
Gauge:Template
Druck (bar)
1.881
1.194
1.81
1.098
DL
Discrete Loss
Generic
Pipe:Cylindrical
Reservoir:Const-Head
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Beispiel 2
Vergleich mit der Musterlösung und Zusammenfassung:
Der manuell berechnete Massenstrom von 1200 kg/s kann durch die von Flowmaster
berechneten 1203.5 kg/s bestätigt werden.
Die Abweichung zwischen Hand- und PC-Lösung beträgt unter 0.3 %.
Anhand von Beispiels 2 haben Sie eine erste Anwendungsmöglichkeiten im Bereich
der COM-Funktionalität (Component Object Model) kennen gelernt. Durch die
universelle Einsetzbarkeit der COM-Komponenten können mit Flowmaster neben
reinen Strömungsproblemen auch Fragen im Bereich des Zusammenspiels zwischen
Fluidsystemen und der Regel- und Steuertechnik gelöst werden.
Auch eine Koppelung mit anderen Programmen ist mit Hilfe der COM-Funktionalität
möglich.
Sehen Sie nun im nachfolgenden Beispiel, wie transiente (instationäre) Analysen für
die Lösung zeitabhängiger Problemstellungen genutzt werden können.
Slide 56
Beispiel 3
Beispiel3 – Druckstoßberechnung
Eine typische Problemstellung, die mit Hilfe einer transienten Flowmaster
Analyse gelöst werden kann, ist die Entwicklung und der Verlauf eines
Druckstoßes.
Die dieser Art der Berechnung zugrunde liegende Theorie wird in diesem
Beispiel nicht behandelt.
Sehen Sie wie Sie solche Aufgaben mit Flowmaster schnell und sicher lösen
können.
Slide 57
Beispiel 3
Problematik des Druckstoßes:
Druckstöße sind sehr starke Druckänderungen, die sich
in den Rohrleitungen eines Systems ausbreiten, wenn
große Schwankungen des Massenstroms auftreten.
Druckstöße entstehen z. B. durch den Ausfall von
Pumpen oder durch das plötzliche Schließen eines
Ventils.
Im Bereich von Anlagen des Flüssigkeitstransportes
treten bedingt durch den hohen Energieinhalt der
bewegten Flüssigkeiten infolge instationärer Betriebszustände dynamische Druckänderungen auf, welche die
Anlagenteile erheblich belasten können.
Bei unzureichender Auslegung kann es daher zu
beträchtlichen Schäden kommen.
Slide 58
Beispiel 3
Beschreibung des Beispiels 3:
Das Beispiel untersucht die Entwicklung eines Druckstoßes in einem einfachen
System, bestehend aus einer Rohrleitung (Ø 0.3m, Rauheit 0.2mm), einem
Klappenventil (Ø 0.3m) und zwei Behältern mit unterschiedlichem Füllstand. Durch
einen Controller soll das Ventil innerhalb von 2 Sekunden vollständig geschlossen
werden.
Mittels Flowmaster soll ein Vergleich zweier solcher Systeme mit unterschiedlich
langen Rohrleitungen (1000m bzw. 10000m) durchgeführt werden.
Für beide Konfigurationen wird ein Druckunterschied angenommen, der zu einem
Volumenstrom mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 1 m/s führt.
Sehen Sie auf der nächsten Folie den Aufbau des Netzwerks.
Slide 59
Beispiel 3
Slide 60
Beispiel 3
Abschätzung des Verhaltens:
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit („Wave Speed“) der Druckwellen ist abhängig von
verschiedenen Faktoren wie z. B. der Elastizität des Rohres, dem Innendurchmesser, sowie
der Dichte und der Elastizität des Fluids. Um das Modell möglichst einfach zu halten, wurde
ein konstanter Wert von 1000m/s angenommen.
Für einfache Systeme wie dem Vorliegenden kann eine erste Abschätzung des zu
erwartenden
Druckstosses
am
Ursprungsort
beim
abrupten
Ändern
der
Strömungsgeschwindigkeit auf 0 m/s nach der Gleichung von Joukowsky erfolgen:
p = c * v * r
p
c
v
r
= Druckerhöhung [Pa]
= Wellengeschwindigkeit [m/s]
= Geschwindigkeitsänderung [m/s]
= Dichte [kg/m³]
Hieraus ergibt sich bei einer Änderung von 1 m/s eine maximale Druckerhöhung von etwa 10
bar die sich an Knoten 2 und 5 zeigen wird. Auszugehen ist dabei vom Druck der sich durch
den Füllstand von 97m in den Austrittsbehältern sowie den Strömungswiderstand der Ventile
ergibt, also etwas über 10 bar.
Für eine reibungsfreie Flüssigkeit ergäbe sich an den Knoten 2 und 5 der auf der nächsten
Folie gezeigte Druckverlauf.
Slide 61
Beispiel 3
Slide 62
Beispiel 3
Starten einer transienten Berechnung:
Beim Durchführen einer transienten Berechnung müssen über die
Einstellungen die bei einer stationären Analyse gemacht werden
hinaus noch einige andere Daten eingegeben werden.
Zunächst muss im Feld „Analysis Type“ von „Steady State (SS)“
auf „Transient (ST)“ umgestellt werden. Dadurch erscheinen im
Bereich „General Analysis Data“ weitere Eingabefelder.
Für eine transiente Analyse zwingend vorzugeben sind dabei die
Felder „Time Step“ (Schrittweite der transienten Analysen, in
diesem Fall 0.025s) und „Analysis End Time“ (dem Zeitpunkt bei
dem ausgehend von der „Analysis Start Time“ (Standard 0 s) die
Berechnung beendet werden soll.
Slide 63
Beispiel 3
Auswertung der Berechnung:
Durch die Option „Dynamic Colouration“ kann während die Berechnung läuft, bereits das Verhalten
des Druckstosses beobachtet werden. Auch wenn sich allein mit dieser Darstellung nur begrenzt
etwas über die eigentlichen Druckspitzen sagen lässt, zeigt sich hier bereits sehr gut das
pulsierende Verhalten und die unterschiedliche Frequenz des Stoßes in den verschieden langen
Leitungen.
Slide 64
Beispiel 3
Auswertung der Berechnung:
Um ein genaueres Bild des Druckstosses zu erhalten, kann in einem Diagramm der Druckverlauf
über der Zeit an Knoten 2 und 5 dargestellt werden. Hierbei machen sich im Vergleich zur vorab
gemachten Betrachtung einige Unterschiede bemerkbar. Um besser vergleichen zu können, soll
der Bereich zwischen 0 und 24 Sekunden genauer untersucht werden.
Slide 65
Beispiel 3
Auswertung der Berechnung:
Bei einem Vergleich der Kennlinien der Vorauslegung zu
den mit Flowmaster berechneten Kennlinien fallen 3
wesentliche Unterschiede auf.
Der Druckverlauf erfährt eine Dämpfung, d. h. er strebt
einem bestimmten Enddruck entgegen.
Die Druckentwicklung erfolgt nicht sprungartig wie in der
Vorauslegung angenommen. Übergänge sind nicht so
scharfkantig ausgeführt.
Der Druck steigt über den nach der Joukowsky
Gleichung berechneten Wert an.
Diese drei Unterschiede sollen im weiteren begründet
werden.
Slide 66
Beispiel 3
Dämpfung des Verlaufes:
Bei einer Auslegung des Systems von Hand kann der Effekt der Dämpfung in der Regel
vernachlässigt werden, da die maximale und minimale Druckspitze üblicherweise in den ersten
Peaks erreicht wird. Die Dämpfung ist unter Anderem davon abhängig, in welcher Form der
Druckstoß begrenzt wird. In einem beidseitig geschlossenen System wird sich der Druckstoß
deutlich länger halten als in einem System das an einem Ende z.B. zu einem großen Behälter
geöffnet ist. Im Beispiel strebt der Druck in der Rohrleitung dem hydrostatischen Druck des
Reservoirs entgegen, da ein Durchfluss durch das Ventil verhindert wird und das Reservoir die
einzige Druckrandbedingung darstellt.
Slide 67
Beispiel 3
Druckentwicklung im System:
Die Abweichung bei der Druckentwicklung vom erwarteten Verlauf beruht auf dem Öffnungs- und
Schließverhalten des Ventils. Da es für ein reales Ventil nicht sinnvoll ist von einem schlagartigen
Absperren des Volumenstroms auszugehen, wurde von für die Flowmaster Berechnung von einem
linearen Schließen innerhalb von 2 Sekunden ausgegangen. Im Druckanstieg spiegelt sich das
Widerstandsverhalten des Ventils wieder. Wie im unteren Diagramm zu sehen ist, verändert sich bei
schnellerem Schließen der Druckverlauf zu der in der Vorauslegung getroffenen Annahme.
Slide 68
Beispiel 3
Weitere Druckerhöhung (Line Packing):
Wie in der unteren Abbildung zu sehen, erhöht sich der Druck nach dem Erreichen
des durch die Joukowsky Gleichung bestimmten Wertes noch weiter. Dieser Effekt ist
als „Line Packing“ bekannt. Speziell bei langen Rohrleitungen kann dieser Effekt zu
einem deutlich höheren Druck führen, der bei einer Auslegung des Systems nach
Joukowsky zu Schäden führen kann.
Flowmaster zeigt, dass die Joukowsky Gleichung kein „konservatives“
Verfahren darstellt!
Slide 69
Beispiel 3
Diskretisierung der Rohrleitung:
Neben der Betrachtung der Knoten 2 und 5 zur Analyse des Druckstoßes können auch die
Rohrleitungen betrachtet werden. Diese werden über so genannte „Internal Nodes“ genauer
diskretisiert. Das bedeutet die Rohrleitung wird intern in gleich große Stücke unterteilt. Für jeden
dieser internen Knoten werden im Ergebnis dann Werte für Druck, Volumenstrom und ggf.
Temperatur berechnet. Bei einer transienten Analyse können diese Werte als Kennfeld über der
Zeit und der Rohrlänge dargestellt werden. Dies ist auf den nächsten Folien zu sehen.
Slide 70
Beispiel 3
Interne Druckverteilung vs. Zeit & Rohrlänge:
Slide 71
Beispiel 3
Interner Vol.Strom vs. Zeit & Rohrlänge:
Slide 72
Beispiel 3
Betrachtung interner Werte:
Ähnlich wie im Modus „Dynamic Colouration“ haben Sie auch für diese internen Werte die
Möglichkeit sich eine farblich abgestufte Darstellung anzeigen zu lassen. Außerdem haben
Sie die Möglichkeit Kennfelder manuell zu drehen oder automatisch rotieren zu lassen.
Slide 73
Beispiel 3
Zusammenfassung:
In Beispiel 3 haben Sie nun verschiedene Möglichkeiten der Ergebnisdarstellung von
transienten Analysen anhand einer typischen Anwendung aus dem Anlagenbereich kennen
gelernt. Über diese Möglichkeiten hinaus finden sich noch andere Optionen wie z.B.:
•
•
•
•
Darstellung bestimmter Werte zu einem bestimmten Zeitpunkt im Netzwerk.
Tabellarische Ausgabe von Werten.
Erzeugung einer Hüllkurve um den Druckstoßverlauf.
Betrachtung von internem Volumenstrom bzw. Druck an einem bestimmten
internen Knoten.
Dadurch steht mit Flowmaster ein zuverlässiges Werkzeug zur Ermittlung (auch
sicherheitsrelevanten)
Druckund
Durchflussverhaltens
in
zeitabhängigen
Systemauslegungen zur Verfügung.
Kurzeinführung
© 2003 Flowmaster International Ltd. The information supplied in this document is for informational purposes only and is subject to change without notice. The mark Flowmaster is a community Trade Mark of The Flowmaster Group BV.
Flowmaster is a registered trademark of The Flowmaster Group BV in the USA and Korea. The names of actual companies and products mentioned herein may be the trademarks of their respective owners.
Slide 2
Inhalt
Programmsystem Flowmaster
Hintergrund und Arbeitsweise, Programmstruktur
Beispiel1 – Rohrsystem
Programmhandling, Ergebnisbetrachtung
Beispiel2 – Durchflussbestimmung
Nachrechnen der Musterlösung zu Beispiel 8.2b, S.193 des Buches
Beispiel3 – Druckstoßbetrachtung
Durchführung einer einfachen transienten Analyse
Slide 3
Hintergrund und Arbeitsweise
Das Programmsystem Flowmaster ist ein einphasiges 1-D
Strömungssimulationssystem auf Grundlage der Stromfadentheorie.
Flowmaster ist modular aufgebaut. Dadurch wird es ermöglicht, die Module
auszuwählen, welche für die anwendungsspezifischen Aufgabenstellungen
relevant sind.
Der modulare Aufbau unterscheidet zwischen stationären und transienten
(zeitabhängigen) Analysen für inkompressible Medien (Flüssigkeiten) mit
und ohne Wärmeübertragung und für kompressible Medien (Gase).
Ein Flowmaster-Berechnungsmodell gliedert sich grundsätzlich in so
genannte Komponenten und Knoten.
Im Bereich der Rohrleitungen wird zur Lösung der beschreibenden,
eindimensionalen Differentialgleichungen für instationäre Aufgabenstellungen das Charakteristikenverfahren angewendet.
Slide 4
Hintergrund und Arbeitsweise
In den Komponenten wird das fluid- und thermodynamische Verhalten realer
Bauteile mit Hilfe von mathematischen Modellen und/oder empirischen
Daten in Form von Kennlinien und/oder Kennfeldern simuliert oder Randbzw. Anfangsbedingungen gesetzt. Die in einer Datenbank hinterlegten
Messdaten, z.B. für die Druckverlustkoeffizienten, beruhen auf Messungen
von D.S. Miller (Internal Flow Systems). Die Datenbank kann vom Anwender
mit Daten aus anderen Quellen bzw. eigenen Messungen ergänzt werden.
Bei der Verwendung dieser Druckverlustkoeffizienten werden entweder
automatisch Korrekturen entsprechend des jeweiligen
Reynoldszahlbereiches vorgenommen oder, wie im Fall des Rohres,
adäquate Gleichungen verwendet.
Die Verbindung zwischen den Komponenten wird über Knoten hergestellt.
Diese haben keine geometrische Ausdehnung, sind masselos und rufen bei
ihrer Durchströmung keinen Druckverlust hervor. Die Summe aller zu- und
abströmenden Fluidmassenströme ist gleich Null.
Slide 5
Hintergrund und Arbeitsweise
Flowmaster2 gliedert sich in zwei grundsätzliche Hauptmodule:
-
Single Phase Incompressible/Compressible
Module zur Berechnung von Strömungen mit 1-phasigen, inkompressiblen Medien (i. d. R. Flüssigkeiten),
z.B. für Wasserversorgungssysteme, Kühlsysteme und Druckstoßberechnungen.
Module zur Berechnung von Strömungen mit 1-phasigen, kompressiblen Medien (Gase),
z.B. für Gasversorgungssysteme, Darstellung von Befüllungsvorgängen oder Rohrleitungsbrüche.
-
Fluid Power
Module für die Berechnung von z.B. Hydrauliksystemen, Kraftstoffeinspritzungen, Schmiersysteme
von Kraftfahrzeugmotoren u. a. m.
Die beiden Hauptmodule unterscheiden sich durch zum Teil
unterschiedliche
Komponenten
und
durch
die
Verwendung
unterschiedlicher Datenbanken.
Slide 6
Hintergrund und Arbeitsweise
Dieser Aufbau spiegelt sich auch in der
Art der Datenverwaltung wieder.
Flowmaster2 verwendet für das
Speichern von Kennlinien, Kennfeldern,
Einheitensätzen oder Fluiddaten ein
Datenbank-Verzeichnis (flows_db bzw.
power_db) und für die Informationen
wie das Netzwerk aufgebaut ist ein
Benutzer-Verzeichnis (flows_ud bzw.
power_ud).
Bei der Berechnung greifen die
Komponenten z. T. auf die in der
Datenbank hinterlegten Informationen
zurück.
Slide 7
Hintergrund und Arbeitsweise
Beide Hauptmodule stellen verschiedene Untermodule (insgesamt 19) für
unterschiedliche Anwendungen zur Verfügung. Die wichtigsten davon sind:
Single Phase:
Inkompressibel, stationär (SS)
Inkompressibel, transient (ST)
Inkompressibel, stationär mit Wärmebetrachtung (SSH)
Inkompressibel, transient mit Wärmebetrachtung (STH)
Kompressibel, stationär (CS)
Kompressibel, transient (CT)
Fluid Power:
Inkompressibel, stationär (FS)
Inkompressibel, transient (FT)
Inkompressibel, stationär mit Wärmebetrachtung (FSH)
Inkompressibel, transient mit Wärmebetrachtung (FTH)
Slide 8
Beispiel 1
Beispiel1 – Berechnungen an einem verzweigten
Rohrnetz
Anhand eines einfachen, verzweigten Rohrnetzes sollen nun zunächst die
Grundfunktionen von Flowmaster dargestellt werden. Das Netz ist in seiner
Struktur der Bild 8-23 auf Seite 189 des Buches nachempfunden.
Im Beispiel wird in mehreren Schritten gezeigt,
wie ein Projekt eröffnet wird,
wie ein Netzwerk in Flowmaster aufgebaut wird,
wie Parameter für einzelne Komponenten gesetzt werden und
wie eine stationäre Berechnung gestartet wird.
Danach wird anhand des erzeugten Ergebnisses gezeigt, wie berechnete
Werte dargestellt werden können.
Slide 9
Beispiel 1
Beschreibung des analysierten Systems:
Das auf der nachfolgenden Folie gezeigte Netz soll aus zwei Hauptbehältern
bestehen, aus denen mit Hilfe zweier Pumpen Wasser in ein höher
gelegenes System gepumpt wird.
Es soll untersucht werden, ob in dem System an mehreren Stellen die
Entnahme eines Volumenstroms von 0.01 m³/s möglich ist, ohne im Netzwerk
den Umgebungsdruck zu unterschreiten. Als Zwischenspeicher stehen ein
Hochbehälter und ein Druckbehälter auf verschiedenen Ebenen.
Zur Druckerhöhung sind zwei weitere Pumpen im System platziert.
Slide 10
Beispiel 1
Slide 11
Beispiel 1
Schritt 1:
Erzeugung eines neuen Projektes
Vor dem Erzeugen des neuen Projektes müssen in Flowmaster zunächst
die Datenbank (in diesem Fall flows_db) und das Benutzer-Verzeichnis
(flows_ud) registriert werden. Diese liegen standardmäßig unter:
C:\Dokumente und Einstellungen\All Users
\Anwendungsdaten\Flowmaster\Flowmaster2
Die Dateien können je nach Systemeinstellung versteckt sein. Wie die
entsprechenden Dateien registriert werden, sehen Sie hier:
Slide 12
Beispiel 1
Schritt 1:
Erzeugung eines neuen Projektes
Nun müssen Sie als nächstes ein neues
Projekt erzeugen.
Klicken Sie hierzu im Hauptmenü unter
„File“ auf „New Project“. Geben Sie in
dem sich öffnenden Fenster einen
Namen für das Projekt ein und
bestätigen Sie, indem Sie auf „OK“
klicken. Danach wird sich das hier
gezeigte Fenster öffnen.
Erzeugen Sie innerhalb des neuen
Projekts ein neues Netzwerk indem Sie
im unteren Teil auf „New“ klicken.
Slide 13
Beispiel 1
Schritt 1:
Erzeugung eines neuen Projektes
Nachdem das neue Netzwerk
erzeugt wurde, öffnet sich die hier
gezeigte Ansicht.
Das dabei geöffnete Fenster dient
zur Eingabe von Daten der
einzelnen
Komponenten,
zum
Konfigurieren der Analysedaten und
anderen
Funktionen
die
das
Netzwerk betreffen.
Öffnen Sie nun das Fenster in dem
das Netzwerk erzeugt wird, indem
Sie auf die Schaltfläche „View
Network“ klicken.
Slide 14
Beispiel 1
Schritt 2:
Aufbau des Netzwerkes
Nun könne Sie über die
Funktion „Window / Tile“ die
Fenster automatisch zueinander ausrichten.
Falls das Raster noch nicht
aktiv ist, können Sie es über
„Display / Grid“ aktivieren.
Die verschiedenen
Funktionsleisten können
über „View / Toolbars“
zugeschaltet werden. In der
gezeigten Ansicht sind die
folgenden aktiv:
Standard
Family
Commands
Text
Zoom
Slide 15
Beispiel 1
Schritt 2:
Aufbau des Netzwerkes
Prinzipiell sind bei Flowmaster alle Komponenten in Gruppen (Families) gegliedert.
So stehen z. B. in der Gruppe „Junctions“ verschiedene Verzweigungen wie TStücke mit verschiedenen Anschlusswinkeln oder Y-Stücke zur Verfügung.
Slide 16
Beispiel 1
Schritt 2:
Aufbau des Netzwerkes
Um eine bestimmte Komponente in das Netzwerk einzufügen, klicken Sie in der
Funktionsleiste auf die entsprechende Gruppe und in dem sich öffnenden Fenster
auf die entsprechende Komponente. Klicken Sie dann im Fenster für das
Netzwerkschema an die Stelle an der Sie die Komponente ablegen wollen.
Rohrleitungen werden in Flowmaster als eigene Komponenten behandelt, d. h.
andere Komponenten können direkt miteinander verbunden werden, wenn z. B.
das dazwischen liegende Stück Rohr vernachlässigt werden soll. Um eine
Rohrleitung einzufügen, klicken Sie zunächst in der Gruppe „Pipes“ auf den
entsprechenden Rohrtyp. Klicken Sie dann in Ihrem Netzwerk auf den Startpunkt
der Leitung, halten Sie den Mausknopf gedrückt und ziehen Sie die Leitung zu
Ihrem Endpunkt. Die graphische Darstellung im Netzwerk ist unabhängig von der
in der Rechnung verwendete Länge. Diese wird im Dateneingabefenster gesetzt.
Beispiele wie Komponenten ins Netzwerk eingefügt werden,
sehen Sie hier:
Slide 17
Beispiel 1
Schritt 2:
Aufbau des Netzwerkes
Wie Sie gesehen haben verändert Flowmaster beim Einfügen von Komponenten
den Mauszeiger. Solange diese Änderung aktiv ist, wird bei jedem Klicken eine
neue Komponente eingefügt. Um Komponenten zu verschieben, müssen Sie
wieder in einen neutralen Modus wechseln. Dieser wird in Flowmaster als „Idle
Mode“ bezeichnet und Sie erreichen Ihn, indem Sie entweder mit der rechten
Maustaste klicken und „Idle Mode“ anwählen oder indem Sie die Taste für das
Leerzeichen drücken.
Zum Bearbeiten (z.B. löschen, verbinden oder drehen) von Komponenten stehen
in der „Command“ Funktionsleiste weitere Schaltflächen zur Verfügung:
Slide 18
Beispiel 1
Schritt 2:
Aufbau des Netzwerkes
Beim Verbinden zweier Komponenten erzeugt
Flowmaster automatisch dazwischen einen so
genannten Knoten. Dieser dient als Bilanzstelle
zwischen den Komponenten. Er besitzt kein
Volumen und stellt keinen Widerstand dar. Jeder Arm
(Anschluss, „Branch“) einer Komponente kann
maximal mit einem Knoten verbunden werden und
im Gegenzug z. Z. maximal 10 Komponenten mit
einem Knoten.
Wie Sie im rechten Bild sehen, gibt es für jede
Komponente eine Definitionsrichtung für die
Durchströmung, welche meist mit einem Pfeil
ausgewiesen ist, der von Arm 1 zum Arm 2 weist.
Diese Definitionsrichtung muss nicht mit der später
berechneten Richtung übereinstimmen.
Bei Durchströmung in Definitionsrichtung sind
Ströme an Arm1 negativ (vom Knoten in die
Komponente) und an Arm 2 positiv (von der
Komponente zum Knoten).
Slide 19
Beispiel 1
Schritt 2:
Aufbau des Netzwerkes
Beginnen Sie nun das dargestellte
Netzwerk aufzubauen. Die benötigten
Komponenten finden Sie in den
folgenden Gruppen:
„Pipes“ (Rohre)
„Valves“ (Ventile)
„Pumps“ (Pumpen)
„Reservoirs“ (Behälter)
„Sources“ (Quellen)
Slide 20
Beispiel 1
Schritt 3:
Vorgabe der Daten
Nachdem Sie nun das Netzwerk aufgebaut haben,
beginnen Sie damit den Komponenten und Knoten
Daten zuzuweisen.
Dies geschieht im Dateneingabefenster.
Setzen Sie zunächst im Datenblatt „Setup“
(Grundeinstellungen) den „Analysis Type Data Filter“
auf
„Steady
State
(SS)“.
Damit
werden
Dateneingabefelder ausgeblendet, die für eine
stationäre, inkompressible Berechnung nicht benötigt
werden.
Aufgrund der Komplexität der verschiedenen
Komponenten wird im Beispiel auf nicht unbedingt
benötigte Daten nicht eingegangen. Information
hierzu entnehmen Sie bitte der „Reference Help“.
Slide 21
Beispiel 1
Schritt 3:
Vorgabe der Daten - Rohrleitungen
Wechseln Sie als nächstes auf das Datenblatt
„Component Data“. Wählen Sie dort unter den in der
so
genannten
„Collection“
(Auswahlliste)
angezeigten
Komponenten
eine
beliebige
Rohrleitung aus und klicken Sie darauf.
Im unteren Teil des Fensters finden Sie nun
verschiedene Parameter aufgelistet. Bei einer
stationären, inkompressiblen Berechnung ohne
Wärmeübertragung müssen Sie zur Berechnung der
Reibung im Rohr nach Colebrook-White die
folgenden Daten angeben:
Länge der Rohrleitung
Rauheit der Rohrwand
Innendurchmesser der Rohrleitung
Slide 22
Beispiel 1
Schritt 3:
Vorgabe der Daten - Rohrleitungen
Um die Vorgabe der Daten in diesem Beispiel möglichst
einfach zu halten, soll davon ausgegangen werden, dass
allen Komponenten gleichen Typs auch gleiche
Parameter zu Grunde liegen. Die Daten müssen also
jeweils bei einer Komponente eingegeben werden und
können dann auf die anderen Komponenten gleichen
Typs übertragen werden.
Geben Sie für die Rohrleitungen die folgenden Werte ein:
Length (Länge):
Absolute Roughness (Rauheit):
Diameter (Durchmesser):
5
0.02
0.1
Slide 23
Beispiel 1
Schritt 3:
Vorgabe der Daten - Rohrleitungen
Zum Kopieren der gerade vorgegebenen Daten auf die anderen Rohrleitungen
folgen Sie der Anleitung in Video 3.
Wählen Sie beim Kopiervorgang die Option: „To components of the current family
in the collection“. Das bedeutet, dass die markierten Daten zu allen Elementen
des gleichen Typs kopiert werden, die auch in der im Dateneingabefenster
gezeigten Liste enthalten sind.
Slide 24
Beispiel 1
Schritt 3:
Vorgabe der Daten - Kugelhähne
Klicken Sie nun in der Liste auf einen Kugelhahn (Ball Valve). Geben Sie die
folgenden Daten ein und kopieren Sie diese wie bei den Rohrleitungen auf die
anderen Komponenten.
Diameter (Durchmesser):
Valve Opening (Ventilstellung):
0.1
0.7
Der Wert „Valve Opening“ beschreibt die Öffnungsposition des Ventils, wobei ein
Wert von 0 gleichbedeutend mit vollständiger Schließung und ein Wert von 1 mit
vollständiger Öffnung ist. Die Kugelhähne sind also zu 70% geöffnet.
Grundsätzlich ist es möglich und sinnvoll, in Flowmaster eigene Ventilkennlinien
für das Widerstandsverhalten über dem Öffnungsgrad zu definieren. Hierauf
wurde aufgrund des Umfangs des Beispiels verzichtet.
Slide 25
Beispiel 1
Schritt 3:
Vorgabe der Daten - Kegelsitzventile
Geben Sie für ein Ventil der Gruppe „Globe Valves“ nun die benötigten Daten ein
und kopieren Sie diese dann wie zuvor auf die anderen Kegelsitzventile. Der
Wert „Position“ entspricht bei diesem Ventil dem des Wertes „Valve Opening“ bei
den Kugelhähnen.
Diameter (Durchmesser):
Position (Ventilstellung):
0.1
1
Slide 26
Beispiel 1
Schritt 3:
Vorgabe der Daten - Senken
Definieren Sie nun an einer der „Flow Sources“ (Quelle oder Senke, je nach
Vorzeichen!) einen negativen Volumenstrom von 0.01 m³/s und kopieren Sie
diesen dann auf die anderen Senken. Alle anderen Werte wie z. B. „Fluid Type“
(verwendetes Medium) und „Constant Temperature“ (Temperatur des Mediums)
werden, wenn Sie in den Komponentendatenblättern nicht gesetzt sind, aus dem
Datenblatt „Analyse“ entnommen.
Slide 27
Beispiel 1
Schritt 3:
Vorgabe der Daten - Radialpumpen
Wie bei den Ventilen ist es auch bei den Pumpen möglich und im Allgemeinen
notwendig, eigene Kennlinien zu hinterlegen. Wir verwenden in diesem Fall
die Beispielkennlinien für eine Radialpumpe aus der Flowmaster Datenbank.
Flowmaster benötigt, um eine Skalierung dieser normiert abgelegten
Kennlinien vornehmen zu können, einen so genannten Referenzpunkt
(Nennbetriebspunkt, Punkt des besten Wirkungsgrades).
Die Angaben hierzu bestehen aus einem Volumenstrom, einer Förderhöhe,
einer Drehzahl bei der die Pumpenkennlinien aufgenommen wurden, der
Betriebsdrehzahl (bzw. Startdrehzahl „Initial Speed“) und einer Leistung bzw.
einem Wirkungsgrad.
Aus diesen Daten werden dann mit Hilfe der Pumpenkennlinien (Förderhöhe
und aufgenommene Leistung als Funktion des Volumenstroms bei „Rated
Speed“ (Referenz Drehzahl) die Daten der Pumpe bei der tatsächlichen
Drehzahl („Initial Speed“) ermittelt (Affinitätsgesetz).
Slide 28
Beispiel 1
Schritt 3:
Vorgabe der Daten - Radialpumpen
Geben Sie die folgenden Werte vor:
Rated Flow (Referenz Volumenstrom):
Rated Head (Referenz Förderhöhe):
Rated Speed (Referenz Drehzahl):
Rated Efficiency (Referenz Wirkungsgrad):
Initial Speed (tatsächliche Drehzahl):
0.4
40
1000
0.6
1000
<>
Kopieren Sie diese Werte dann auf die anderen Pumpen.
Zusätzliche Informationen zum Flowmaster Pumpenmodell sowie zu allen anderen
Komponenten finden Sie in der Flowmaster Reference Help.
Slide 29
Beispiel 1
Schritt 3:
Vorgabe der Daten - Versorgungsbehälter
Nun sollen die Daten für die beiden untersten Behälter vorgegeben werden. Es
handelt sich dabei um Behälter mit konstantem Füllspiegel (Reservoir: ConstHead). Dies wäre z. B. dann der Fall, wenn aus einem sehr großen Becken nur
verhältnismäßig kleine Mengen entnommen werden. Für diesen Typ Behälter
muss die Höhe definiert werden auf dem der Behälter steht, der Füllstand des
Beckens über dem Auslass sowie der Durchmesser des Anschlussrohres. Einund Austrittsverluste werden bei diesem Behältertyp vernachlässigt, könnten aber
über weitere Komponenten berücksichtigt werden.
Pipe Diameter (Anschlussdurchmesser):
Liquid Level above Base (Füllhöhe):
Base Level above Reference (Anschlussniveau):
0.1
3
0
Kopieren Sie diese Werte anschließend auf den zweiten Behälter.
Slide 30
Beispiel 1
Schritt 3:
Vorgabe der Daten - Hochspeicher
Bei der Komponente die für den Hochspeicher verwendet wird, handelt es sich um
einen 2-armigen Behälter (Reservoir: 2 Arm). Ein- und Austrittsverluste werden
bereits in der Komponente erfasst. In den dafür vorgesehenen
Widerstandskoeffizienten können vereinfacht auch Einbauten wie Siebe oder
Rückflussverhinderer aufgenommen werden. Für jeden Anschluss müssen also die
Werte für die Widerstandskoeffizienten in beiden Fließrichtungen, der
Durchmesser, sowie die Höhe des Anschlusses über dem Behälterboden definiert
werden.
Zusätzlich muss die Gesamthöhe des Behälters und die Querschnittfläche
bestimmt werden, um das Volumen des Behälters fest zu legen. Ähnlich wie beim
Behälter mit konstanter Füllhöhe muss auch für diesen Behälter angegeben
werden, auf welcher Höhe er steht und wie sein (Anfangs-) Füllstand ist. Für eine
stationäre Berechnung wird dieser Füllstand als konstant vorausgesetzt. Erst in
einer instationären Berechnung würde die Variabilität des Füllstandes
berücksichtigt.
Slide 31
Beispiel 1
Schritt 3:
Vorgabe der Daten - Hochspeicher
Slide 32
Beispiel 1
Schritt 3:
Vorgabe der Daten - Druckbehälter
Der Druckbehälter (Reservoir: Expan) arbeitet ähnlich wie der für den
Hochspeicher verwendete Behälter. Im Gegensatz zu diesem handelt es sich
jedoch nicht um einen offenen Behälter, sondern um einen geschlossenen,
dessen Innendruck von der Änderung der Füllhöhe bzw. der Temperatur abhängig
ist.
Ähnlich wie bei realen Druckbehältern gibt es die Möglichkeit bestimmte
Grenzdrücke zu setzen bei denen der Behälter entweder be- oder entlüftet wird.
Die Daten für die Komponente können der folgenden Folie entnommen werden.
Slide 33
Beispiel 1
Schritt 3:
Vorgabe der Daten - Druckbehälter
Slide 34
Beispiel 1
Schritt 4:
Vorgabe der Daten - Knoten
Um bei der Berechnung Höhenunterschiede im
Netzwerk zu berücksichtigen, müssen nach der
Eingabe der Daten der Komponenten auch den
Knoten Werte zugewiesen werden.
Wechseln Sie hierzu auf das Datenblatt „Node
Data“. Tragen Sie dann für die verschiedene
Knoten die auf der nächsten Folie gezeigten Werte
in der Spalte „Level“ (Niveau) ein.
Slide 35
Beispiel 1
Schritt 4:
Vorgabe der Daten - Knoten
Slide 36
Beispiel 1
Schritt 5:
Starten der Analyse
Um die Analyse zu starten wechseln Sie auf das
Datenblatt „Analyse“. Schalten Sie dort im Feld
„Analysis Type“ (Analyseart) um auf „Steady State
(SS)“.
Im unteren Teil des Datenblattes im Fenster
„General
Analysis
Data“
sind
bereits
Standardwerte für „Liquid Type“ (Medium),
„Ambient Temperature“ (Umgebungstemperatur)
und „Atmospheric Pressure“ (Umgebungsdruck)
gesetzt. Der eingestellte Liquid Type (1) entspricht
dem Medium Wasser (einzustellen über die
Schaltfläche „Options“).
Führen Sie nun eine Analyse durch, indem Sie auf
„Start“ klicken. Weitere Beschreibungen finden Sie
auf der nächsten Folie.
Slide 37
Beispiel 1
Schritt 5:
Starten der Analyse
Nachdem Sie im Datenblatt „Analyse“ auf „Start“ geklickt haben, werden Sie, falls Sie dies nicht
vorher bereits getan haben, zunächst gefragt, ob Sie die Änderungen am Netzwerk speichern
wollen. Bitte bestätigen Sie dies. Anschließend kann die Analyse gestartet werden.
In dem sich nun öffnenden Fenster wird Ihnen anhand eines blauen Balkens der Fortschritt der
Analyse angezeigt. Da es sich hier um ein vergleichsweise einfaches Netzwerk handelt, wird
dieser Balken maximal ganz kurz zu sehen sein.
Bei korrekter Vorgabe aller Daten sollte sich abschließend ein Fenster öffnen, bei dem als
Statusmeldung unter „Success ?“ eine Bestätigung erscheint. Ist dies der Fall, öffnen Sie mit
einem Klicken auf „Results“ das Ergebnisfenster. Starten Sie nun bitte die Animation.
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Beispiel 1
Schritt 6:
Auswerten der Analyse
Zur Auswertung des Ergebnisses schalten
Sie zunächst im Ergebnisfenster auf das
Datenblatt „Component Results“. Lassen Sie
sich dort über die Funktion „Collect“ / „All“
dann alle Komponenten auflisten. Sie haben
dann die Möglichkeit einzelne Ergebnisse
der Komponenten zu betrachten, indem Sie
sie in der Liste anwählen.
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Beispiel 1
Schritt 6:
Auswerten der Analyse
Eine weitere Möglichkeit Ergebnisse
darzustellen, besteht darin sich bestimmte
Werte wie z.B. Volumenstrom oder
Strömungsgeschwindigkeiten im Netzwerk
anzeigen zu lassen.
Aktivieren Sie diese Funktion in dem Sie im
Datenblatt „Component Results“ den
entsprechenden Wert im Fenster „Attribute“
auswählen und dann über die Schaltfläche
„Draw“ ausführen.
Für den Volumenstrom in m³/s ergibt sich
die auf der folgenden Folie dargestellte
Verteilung.
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Beispiel 1
Schritt 6:
Auswerten der Analyse
Es zeigt sich, dass der Druckbehälter stärker
befüllt wird, als ihm Volumen entnommen
wird. Hier ist also zunächst mit einem
Ansteigen des Druckes zu rechnen.
Der Hochspeicher wird bei den aktuellen
Ventileinstellungen an beiden Anschlüssen
befüllt. Der Flüssigkeitsspiegel würde also
steigen.
Dies könnte im Weiteren mit einer
instationären Analyse untersucht werden.
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Beispiel 1
Schritt 6:
Auswerten der Analyse
Um die Druckverteilung im Netzwerk zu
begutachten und damit die Frage ob
Kavitation
bei
den
geforderten
Volumenströmen an den Austritten auftritt,
wechseln Sie auf das Datenblatt „Node
Results“ des Ergebnisfensters.
Fügen Sie auch hier zunächst über die
Funktion „Collect“ - „All“ alle Knoten zur Liste
hinzu.
Wie bei den Komponenten können Sie sich
über die Funktion „Draw“ Werte im Netzwerk
darstellen lassen Totaldrücke (Pressure)
sowie die Drücke auf die Knotenhöhe
(Pressure at Node Level)
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Beispiel 1
Schritt 6:
Auswerten der Analyse
Bei der Betrachtung der Drücke bezogen auf
die Höhenlage der Knoten fallen zwar einige
Stellen mit niedrigem Druckniveau auf, dabei
liegt jedoch der niedrigste Druck von 0.31
bar immer noch deutlich über dem
Dampfdruck von Wasser bei 20°C (~0.023
bar).
Dennoch
wird
man
diese
Werte
insbesondere im Saugbereich der Pumpe
nicht zulassen wollen und nun mit Hilfe des
Modells Parameteränderungen untersuchen,
die geeignet sind, den Druck über
Umgebungsdruck zu heben.
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Beispiel 1
Zusammenfassung der durchgeführten Schritte
Anhand des berechneten Beispiels haben Sie nun einige Grundfunktionen sowie Teile der
Benutzeroberfläche von Flowmaster kennen gelernt.
Grundsätzlich lässt sich die Vorgehensweise zum Modellieren eines Systems in die
durchgeführten 6 Grundschritte aufteilen:
1)
2)
3)
4)
5)
6)
Erzeugen eines neuen Projektes
Abbilden des Systems als Netzwerk
Eingeben der Daten der Komponenten
Falls erforderlich Eingeben der Lage der Knoten
Durchführen der Analyse
Auswerten und Überprüfen der berechneten Ergebnisse.
Als 7. Schritt können dann Parametervariationen berechnet werden. Vertiefen Sie diese
Vorgehensweise nun Anhand von Beispiel 2.
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Beispiel 2
Beispiel2 – Durchflussbestimmung
Nachrechnen der Musterlösung zu Beispiel 8.2b, S.193
Anhand der auf Seite 193 dargestellten Aufgabe 8.2b soll demonstriert werden, wie mit
Hilfe von Flowmaster strömungstechnische Probleme effizient gelöst werden können.
In diesem Fall handelt es sich um die Bestimmung eines Durchflusses, der sich
aufgrund des Anlagenwiderstandes bei einem bestimmten Druckverhältnis einstellt.
Diese Berechnung ist wie auch in der Musterlösung gezeigt nur iterativ zu lösen, da der
Widerstand abhängig vom Durchfluss ist.
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Beispiel 2
Aufbau eines Berechnungsmodells:
Um die im Buch beschriebene Aufgabe 8.2b zu lösen, wurde ein passendes Modell
erstellt.
Dabei werden die Komponenten, deren Widerstandsverhalten durch einen Zeta-Wert
bestimmt sind, zu einem „Discrete Loss“ (nicht näher bestimmter Widerstand)
zusammengefasst.
Die für die Rohrleitungen angegebene äquivalente Rauheit von k=0.04mm kann direkt
in Flowmaster verarbeitet werden.
Die Methode zur Darstellung eines über eine Gleichung definierten Druckverlustes
wird nachfolgend demonstriert.
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Beispiel 2
Darstellung des Kondensatorwiderstandes:
Die für das Widerstandsverhalten des Kondensators angegebene, spezielle Funktion:
1 .78
p K 0 .2 m
wird durch die Einbindung eines Skriptes umgesetzt. Dieses wird mit einer
Komponente aus der Gruppe der „Com-Controller“ (Steuerelemente) sowie einer
Komponente der Gruppe „Miscellaneous“ (Verschiedene) verarbeitet.
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Beispiel 2
Berechnungsmodell:
Das erzeugte Berechnungsmodell entspricht in seiner Form dem hier gezeigten
Schema.
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Beispiel 2
Komponenten des Berechnungsmodells:
Komp.1: Reservoir: Const-Head
Pipe Diameter (Anschlussdurchmesser)
Liquid Level Above Base (Füllhöhe)
Base Level Above Reference
(Niveau)
Surface Pressure (Behälterluftdruck)
0.9
1
8
1
Komp.2: Discrete Loss
Area (Querschnittsfläche)
Forward Flow Loss Coeff. (Zeta in Hauptrichtung)
Reverse Flow Loss Coeff. (Zeta in Gegenrichtung)
Hydraulic Diameter (hydraulischer Durchmesser)
0.636173 m2
3.9
3.9
0.9
m
m
m
m
bar
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Beispiel 2
Komponenten des Berechnungsmodells:
Komp.3: Gauge: Template
Input Connection (Eingangstyp)
Algorithm Type (interne Verarbeitungsmethode)
Script / Equation Identifier (Name des Skriptes)
Output Quantity (Einheit des Ausgangssignals)
Output Initial Value (Ausgangsstartwert)
Output Clipping - min value (kleinster Ausgangswert)
Output Clipping - max value (grösster Ausgangswert)
Das Script N:1 trägt den Titel „Kondensatorfunktion“ und
steht in der Library „Network_Control“ zur Verfügung. Es
dient zur Umrechnung des Massenstroms am Ausgang
von Komponente 2 in die Druckdifferenz, welche an
Komponente 4 angelegt wird. Wie Sie das Script hinterlegen
sehen Sie hier:
100
2
N:1
39
0.5
0
10
bar
bar
bar
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Beispiel 2
Komponenten des Ersatznetzwerks:
Komp.4: Generic (frei definierbare Komponente)
keine Eingaben erforderlich
Komp.5: Pipe: Cylindrical (Rohrleitung)
Length
Friction Option
Absolute Roughness
Diameter
400
1
0.04
0.9
m
mm
m
(Länge)
(Reibungsart)
(Rauheit)
(Durchmesser)
m
m
m
bar
(Anschlussdurchmesser)
(Füllhöhe)
(Behälterniveau)
(Behälterluftdruck)
Komp.6: Reservoir: Const-Head (Behälter mit konst. Füllstand)
Pipe Diameter
Liquid Level Above Base
Base Level Above Reference
Surface Pressure
0.9
1
0
1
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Beispiel 2
Erläuterungen zum Ersatznetzwerk:
Ober- und Unterwasserkanal werden im Ersatznetzwerk jeweils durch eine ReservoirKomponente dargestellt (Komponente 1 und 6). Es handelt sich dabei um „ConstantHead“ Reservoire, die unabhängig von der entnommenen Flüssigkeit den gleichen
Füllstand bewahren. Die Höhendifferenz wird durch die Referenzierung der Reservoire
mittels der Größe „Base Level above Reference“ definiert.
Die Komponente 2, Discrete Loss, steht stellvertretend für die mittels eines Zeta-Wertes
definierten Widerstände. Diese Komponente ermöglicht die Beschreibung von
Widerständen auf vielfältige Weise [z. B. Zeta=f(Re), Druckverlust=f(Volumenstrom)].
Prinzipiell wäre diese Komponente auch für die Modellierung des Kondensatorwiderstandes geeignet.
Die Kombination der Komponenten 3 und 4 dient zur Darstellung des Kondensatorwiderstandes. Hierzu wird mit der Komponente 3 der Massenstrom gemessen und über
das hinterlegte Skript, der an Komponente 4 anzulegende Druckverlust berechnet.
Abschließend wird mit Komponente 5 eine Rohrleitung modelliert, die den Angaben der
Aufgabenstellung entspricht.
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Beispiel 2
Starten der Berechnung:
Starten Sie nun eine Berechnung im
Modus „Steady State“ (SS) unter
Verwendung der Standard-Werte.
Bei
erfolgreich
Rechnung beginnen
Auswertung.
durchgeführter
Sie mit der
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Beispiel 2
Auswertung der Strömungsgeschwindigkeit:
Wie im unteren Schema gezeigt stellt sich im Netz eine Geschwindigkeit von ca. 1.9
m/s ein. Dieser Wert entspricht auch dem in der Musterlösung ermittelten Wert. Für
die Komponenten „Gauge: Template“ und „Generic“ können aufgrund der fehlenden
Geometriedaten keine Geschwindigkeiten ermittelt werden.
Strömungsgeschwindigkeit (m/s)
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Beispiel 2
Auswertung der Druckverteilung:
Bei der Betrachtung der Drücke zeigt sich, dass zwischen Systemeintritt und Austritt
eine Druckdifferenz von etwa 78300 Pa anliegt. Die Abweichung zu den in der
Musterlösung angenommenen 78400 Pa beruht auf der unterschiedlich verwendeten
Dichte (998.2Kg/m³ statt 1000 Kg/m³).
Reservoir:Const-Head
Gauge:Template
Druck (bar)
1.881
1.194
1.81
1.098
DL
Discrete Loss
Generic
Pipe:Cylindrical
Reservoir:Const-Head
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Beispiel 2
Vergleich mit der Musterlösung und Zusammenfassung:
Der manuell berechnete Massenstrom von 1200 kg/s kann durch die von Flowmaster
berechneten 1203.5 kg/s bestätigt werden.
Die Abweichung zwischen Hand- und PC-Lösung beträgt unter 0.3 %.
Anhand von Beispiels 2 haben Sie eine erste Anwendungsmöglichkeiten im Bereich
der COM-Funktionalität (Component Object Model) kennen gelernt. Durch die
universelle Einsetzbarkeit der COM-Komponenten können mit Flowmaster neben
reinen Strömungsproblemen auch Fragen im Bereich des Zusammenspiels zwischen
Fluidsystemen und der Regel- und Steuertechnik gelöst werden.
Auch eine Koppelung mit anderen Programmen ist mit Hilfe der COM-Funktionalität
möglich.
Sehen Sie nun im nachfolgenden Beispiel, wie transiente (instationäre) Analysen für
die Lösung zeitabhängiger Problemstellungen genutzt werden können.
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Beispiel 3
Beispiel3 – Druckstoßberechnung
Eine typische Problemstellung, die mit Hilfe einer transienten Flowmaster
Analyse gelöst werden kann, ist die Entwicklung und der Verlauf eines
Druckstoßes.
Die dieser Art der Berechnung zugrunde liegende Theorie wird in diesem
Beispiel nicht behandelt.
Sehen Sie wie Sie solche Aufgaben mit Flowmaster schnell und sicher lösen
können.
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Beispiel 3
Problematik des Druckstoßes:
Druckstöße sind sehr starke Druckänderungen, die sich
in den Rohrleitungen eines Systems ausbreiten, wenn
große Schwankungen des Massenstroms auftreten.
Druckstöße entstehen z. B. durch den Ausfall von
Pumpen oder durch das plötzliche Schließen eines
Ventils.
Im Bereich von Anlagen des Flüssigkeitstransportes
treten bedingt durch den hohen Energieinhalt der
bewegten Flüssigkeiten infolge instationärer Betriebszustände dynamische Druckänderungen auf, welche die
Anlagenteile erheblich belasten können.
Bei unzureichender Auslegung kann es daher zu
beträchtlichen Schäden kommen.
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Beispiel 3
Beschreibung des Beispiels 3:
Das Beispiel untersucht die Entwicklung eines Druckstoßes in einem einfachen
System, bestehend aus einer Rohrleitung (Ø 0.3m, Rauheit 0.2mm), einem
Klappenventil (Ø 0.3m) und zwei Behältern mit unterschiedlichem Füllstand. Durch
einen Controller soll das Ventil innerhalb von 2 Sekunden vollständig geschlossen
werden.
Mittels Flowmaster soll ein Vergleich zweier solcher Systeme mit unterschiedlich
langen Rohrleitungen (1000m bzw. 10000m) durchgeführt werden.
Für beide Konfigurationen wird ein Druckunterschied angenommen, der zu einem
Volumenstrom mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 1 m/s führt.
Sehen Sie auf der nächsten Folie den Aufbau des Netzwerks.
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Beispiel 3
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Beispiel 3
Abschätzung des Verhaltens:
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit („Wave Speed“) der Druckwellen ist abhängig von
verschiedenen Faktoren wie z. B. der Elastizität des Rohres, dem Innendurchmesser, sowie
der Dichte und der Elastizität des Fluids. Um das Modell möglichst einfach zu halten, wurde
ein konstanter Wert von 1000m/s angenommen.
Für einfache Systeme wie dem Vorliegenden kann eine erste Abschätzung des zu
erwartenden
Druckstosses
am
Ursprungsort
beim
abrupten
Ändern
der
Strömungsgeschwindigkeit auf 0 m/s nach der Gleichung von Joukowsky erfolgen:
p = c * v * r
p
c
v
r
= Druckerhöhung [Pa]
= Wellengeschwindigkeit [m/s]
= Geschwindigkeitsänderung [m/s]
= Dichte [kg/m³]
Hieraus ergibt sich bei einer Änderung von 1 m/s eine maximale Druckerhöhung von etwa 10
bar die sich an Knoten 2 und 5 zeigen wird. Auszugehen ist dabei vom Druck der sich durch
den Füllstand von 97m in den Austrittsbehältern sowie den Strömungswiderstand der Ventile
ergibt, also etwas über 10 bar.
Für eine reibungsfreie Flüssigkeit ergäbe sich an den Knoten 2 und 5 der auf der nächsten
Folie gezeigte Druckverlauf.
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Beispiel 3
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Beispiel 3
Starten einer transienten Berechnung:
Beim Durchführen einer transienten Berechnung müssen über die
Einstellungen die bei einer stationären Analyse gemacht werden
hinaus noch einige andere Daten eingegeben werden.
Zunächst muss im Feld „Analysis Type“ von „Steady State (SS)“
auf „Transient (ST)“ umgestellt werden. Dadurch erscheinen im
Bereich „General Analysis Data“ weitere Eingabefelder.
Für eine transiente Analyse zwingend vorzugeben sind dabei die
Felder „Time Step“ (Schrittweite der transienten Analysen, in
diesem Fall 0.025s) und „Analysis End Time“ (dem Zeitpunkt bei
dem ausgehend von der „Analysis Start Time“ (Standard 0 s) die
Berechnung beendet werden soll.
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Beispiel 3
Auswertung der Berechnung:
Durch die Option „Dynamic Colouration“ kann während die Berechnung läuft, bereits das Verhalten
des Druckstosses beobachtet werden. Auch wenn sich allein mit dieser Darstellung nur begrenzt
etwas über die eigentlichen Druckspitzen sagen lässt, zeigt sich hier bereits sehr gut das
pulsierende Verhalten und die unterschiedliche Frequenz des Stoßes in den verschieden langen
Leitungen.
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Beispiel 3
Auswertung der Berechnung:
Um ein genaueres Bild des Druckstosses zu erhalten, kann in einem Diagramm der Druckverlauf
über der Zeit an Knoten 2 und 5 dargestellt werden. Hierbei machen sich im Vergleich zur vorab
gemachten Betrachtung einige Unterschiede bemerkbar. Um besser vergleichen zu können, soll
der Bereich zwischen 0 und 24 Sekunden genauer untersucht werden.
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Beispiel 3
Auswertung der Berechnung:
Bei einem Vergleich der Kennlinien der Vorauslegung zu
den mit Flowmaster berechneten Kennlinien fallen 3
wesentliche Unterschiede auf.
Der Druckverlauf erfährt eine Dämpfung, d. h. er strebt
einem bestimmten Enddruck entgegen.
Die Druckentwicklung erfolgt nicht sprungartig wie in der
Vorauslegung angenommen. Übergänge sind nicht so
scharfkantig ausgeführt.
Der Druck steigt über den nach der Joukowsky
Gleichung berechneten Wert an.
Diese drei Unterschiede sollen im weiteren begründet
werden.
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Beispiel 3
Dämpfung des Verlaufes:
Bei einer Auslegung des Systems von Hand kann der Effekt der Dämpfung in der Regel
vernachlässigt werden, da die maximale und minimale Druckspitze üblicherweise in den ersten
Peaks erreicht wird. Die Dämpfung ist unter Anderem davon abhängig, in welcher Form der
Druckstoß begrenzt wird. In einem beidseitig geschlossenen System wird sich der Druckstoß
deutlich länger halten als in einem System das an einem Ende z.B. zu einem großen Behälter
geöffnet ist. Im Beispiel strebt der Druck in der Rohrleitung dem hydrostatischen Druck des
Reservoirs entgegen, da ein Durchfluss durch das Ventil verhindert wird und das Reservoir die
einzige Druckrandbedingung darstellt.
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Beispiel 3
Druckentwicklung im System:
Die Abweichung bei der Druckentwicklung vom erwarteten Verlauf beruht auf dem Öffnungs- und
Schließverhalten des Ventils. Da es für ein reales Ventil nicht sinnvoll ist von einem schlagartigen
Absperren des Volumenstroms auszugehen, wurde von für die Flowmaster Berechnung von einem
linearen Schließen innerhalb von 2 Sekunden ausgegangen. Im Druckanstieg spiegelt sich das
Widerstandsverhalten des Ventils wieder. Wie im unteren Diagramm zu sehen ist, verändert sich bei
schnellerem Schließen der Druckverlauf zu der in der Vorauslegung getroffenen Annahme.
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Beispiel 3
Weitere Druckerhöhung (Line Packing):
Wie in der unteren Abbildung zu sehen, erhöht sich der Druck nach dem Erreichen
des durch die Joukowsky Gleichung bestimmten Wertes noch weiter. Dieser Effekt ist
als „Line Packing“ bekannt. Speziell bei langen Rohrleitungen kann dieser Effekt zu
einem deutlich höheren Druck führen, der bei einer Auslegung des Systems nach
Joukowsky zu Schäden führen kann.
Flowmaster zeigt, dass die Joukowsky Gleichung kein „konservatives“
Verfahren darstellt!
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Beispiel 3
Diskretisierung der Rohrleitung:
Neben der Betrachtung der Knoten 2 und 5 zur Analyse des Druckstoßes können auch die
Rohrleitungen betrachtet werden. Diese werden über so genannte „Internal Nodes“ genauer
diskretisiert. Das bedeutet die Rohrleitung wird intern in gleich große Stücke unterteilt. Für jeden
dieser internen Knoten werden im Ergebnis dann Werte für Druck, Volumenstrom und ggf.
Temperatur berechnet. Bei einer transienten Analyse können diese Werte als Kennfeld über der
Zeit und der Rohrlänge dargestellt werden. Dies ist auf den nächsten Folien zu sehen.
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Beispiel 3
Interne Druckverteilung vs. Zeit & Rohrlänge:
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Beispiel 3
Interner Vol.Strom vs. Zeit & Rohrlänge:
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Beispiel 3
Betrachtung interner Werte:
Ähnlich wie im Modus „Dynamic Colouration“ haben Sie auch für diese internen Werte die
Möglichkeit sich eine farblich abgestufte Darstellung anzeigen zu lassen. Außerdem haben
Sie die Möglichkeit Kennfelder manuell zu drehen oder automatisch rotieren zu lassen.
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Beispiel 3
Zusammenfassung:
In Beispiel 3 haben Sie nun verschiedene Möglichkeiten der Ergebnisdarstellung von
transienten Analysen anhand einer typischen Anwendung aus dem Anlagenbereich kennen
gelernt. Über diese Möglichkeiten hinaus finden sich noch andere Optionen wie z.B.:
•
•
•
•
Darstellung bestimmter Werte zu einem bestimmten Zeitpunkt im Netzwerk.
Tabellarische Ausgabe von Werten.
Erzeugung einer Hüllkurve um den Druckstoßverlauf.
Betrachtung von internem Volumenstrom bzw. Druck an einem bestimmten
internen Knoten.
Dadurch steht mit Flowmaster ein zuverlässiges Werkzeug zur Ermittlung (auch
sicherheitsrelevanten)
Druckund
Durchflussverhaltens
in
zeitabhängigen
Systemauslegungen zur Verfügung.