Simulationsbasierte Unsicherheitsanalyse von Durchflussmessungen

Abstract

Flow meters are usually calibrated in ideal flow conditions. In consequence, flow rate measurements in non-ideal, so-called disturbed conditions are defective. These disturbances are caused by non-straight pipe geometries and are characterized by asymmetrical axial velocity profiles, enhanced turbulence and cross flow components. These flow structures slowly decay in a long straight pipe. In most piping networks elbow configurations are the most common pipe installations, long straight pieces are rarely found. This thesis deals with uncertainty estimation of flow rate prediction in non-ideal flow conditions using numerical methods. Therefore, different measurement principles are applied to simulated flow fields. In contrast to the most other studies of this kind, particular pipe geometries are not studied separately, but rather a class of disturbances is examined by using random inflow conditions from several elbows in a row with variable distances. It is demonstrated that simulation results from a steady state eddy viscosity model are sensitive to their inflow conditions. To analyze the effect of each inflow condition a separate time consuming flow simulation is necessary. Therefore, different effective methods for uncertainty quantification are evaluated. To save additional computation time, a simulation with ideal inflow conditions can be used. To assess the effect of random inflow conditions, the azimuthal orientation of the calculated flow field is set to random. Based on these assumptions uncertainties are quantified downstream several combinations of elbows for - simulated velocity profiles, - velocity-area measurements in a Venturi nozzle, - ultrasonic and electromagnetic flow meters with and without a Venturi/rectangular nozzle as flow conditioner, - single-beam ultrasonic flow meters with different reflecting path configurations, including two suggested new designs, - flow rate prediction with LDV single-path measurements including the LDV-bias error and - a combined laser-optical and numerical method for on-site calibration of flow meters.Die Genauigkeit einer Durchflussmessung ist in der Regel abhängig von den vorherrschenden Strömungsbedingungen. Da Messgeräte normalerweise bei idealen Strömungsbedingungen kalibriert werden, sind bei nicht idealen Bedingungen fehlerbehaftete Messwerte zu erwarten. Solche gestörten Strömungsbedingungen werden von nicht geraden Rohrinstallationen verursacht und sind geprägt von asymmetrischen axialen Geschwindigkeitsprofilen, einer erhöhten Turbulenz und Sekundärströmungen. In den meisten Rohrleitungssystemen sind vor allem Krümmer installiert, lange gerade Rohrstrecken sind nur selten zu finden. Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Bestimmung von Unsicherheiten verschiedener Durchflussmessverfahren bei nicht idealen Strömungsbedingungen mit numerischer Simulation. Dafür werden verschiedene Messprinzipien modelliert und auf simulierte Strömungen angewandt. Im Gegensatz zu anderen Studien werden hier nicht bestimmte Rohrgeometrien separat voneinander untersucht, sondern eine Klasse von Störungen mit zufälligen Zuströmbedingungen hinter mehreren Krümmern mit variablem Abstand. Es wird gezeigt, dass die Resultate von zeitlich stationären Simulationen mit Wirbelviskositätsmodellen sensitiv gegenüber den Zuströmbedingungen sind. Da jede Zuströmrandbedingung eine neue rechenintensive numerische Strömungssimulation erfordert, werden verschiedene effektive Methoden zur Unsicherheitsquantifizierung verglichen. Zur vereinfachten Abbildung der Sensitivität der Strömung gegenüber verschiedenen Einlassrandbedingungen kann eine Simulation mit idealen Zuströmbedingungen ausgewertet werden bei der die azimutale Orientierung der resultierenden Strömung als zufällig angenommen wird. Durch diese Vereinfachung kann Rechenzeit gespart werden. Basierend auf diesen Annahmen werden die Unsicherheiten hinter verschiedenen Kombinationen von Krümmern quantifiziert von - simulierten Strömungsprofilen, - Netzmessungen in einer Venturi-Düse, - Ultraschall- und magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräten sowohl mit, als auch ohne Strömungskonditionierung durch eine Venturi- und Rechteck-Einziehung, - verschiedenen Ein-Strahl-Reflektionsanordnungen eines Ultraschall-Durchflussmessgeräts, inklusive zwei neu vorgeschlagener Designs, - einem laseroptischen Ein-Pfad-Verfahren zur Durchflussmessung inklusive LDV-Bias und - einem kombinierten laseroptischen und numerischen Verfahren zur Vor-Ort-Kalibrierung von Durchflussmessgeräten.BMWi, 03ET1204, EnEff: Wärme, On-site calibration of flow meters in district heatin