Entwicklung einer adaptiven und passiven Pulsationsdämpfereinheit
Creators: name: Tetenborg, Patrick
Publisher: name: Technische Universität Dortmund
Year: 2018
Subjects: subject: Pulsationen
subject: Pulsationsdämpfung
subject: Adaptiv
subject: Passiv
subject: Akustik
subject: Verlustbeiwert
subject: Pulsation
subject: Dämpfung
subject: Drosselung
subject: Akustik

description: In der vorliegenden Arbeit wird eine neu entwickelte adaptive und passive Pulsationsdämpfereinheit vorgestellt. Diese Pulsationsdämpfereinheit ändert ihr pulsationsdämpfendes Drosselverhalten adaptiv und ohne Zufuhr von Fremdenergie. Anhand des aktuellen Standes der Technik ergibt sich ein Bedarf hinsichtlich eines dissipativ arbeitenden Dämpfungsmechanismus mit einem dynamisch anpassbaren Drosselverhalten. Damit eine geeignete dynamische Anpassung der gewünschten Drosselung innerhalb einer Schwankungsperiode der eintreffenden Pulsationen erfolgen kann, wird ein ideales dissipatives Dämpfungsverhalten definiert.Analytische Betrachtungen auf Basis der ebenen Wellentheorie führen anschließend auf ein Funktionsprinzip mit dem das gewünschte Dämpfungsverhalten realisiert werden kann. Für die Beschreibung dieses Funktionsprinzips wird eine neue dimensionslose Kennzahl - der adaptive akustische Verlustbeiwert ζa-a - eingeführt. Dieser stellt einen Bezug des transienten Druckverlusts durch die dynamische Änderung des Verlustbeiwerts der Pulsationsdämpfereinheit zu dem lokalen Schalldruck vor der Pulsationsdämpfereinheit her. Dadurch kann für beliebige Ausführungen von Pulationsdämpfereinheiten das adaptive pulsationsdämpfende Verhalten charakterisiert werden. Zur Erzielung einer gemäß Definition vollständigen Pulsationsdämpfung wird ein adaptiver akustischer Verlustbeiwert von ζa-a = 1 benötigt. Anschließend wird ein Konzept für die adaptive und passive Umsetzung des Funktionsprinzips entwickelt. Gemäß dem Konzept erfolgt eine von den lokalen Schwankungsgrößen abhängige, geometrische Anpassung der Strömungskontur der Pulsationsdämpfereinheit. Anhand eines konzeptgemäßen Prototypen werden zunächst die funktionsrelevanten Einzeldisziplinen - Strukturmechanik, Strömungsmechanik sowie die adaptiven Kräfte - messtechnisch untersucht. Im Anschluss daran wird das pulsationsdämpfende Verhalten in pulsierenden Strömungen am Gasmengenversuchsstand des FG Fluidtechnik der TU Dortmund untersucht. Die gegebenen Rahmenbedingungen führen hier zu einem vom erarbeiteten Funktionsprinzip geringfügig abweichenden Betriebsverhalten. Im Vergleich zu statischen Drosselelementen zeigen sich dennoch deutlich verbesserte Dämpfungseigenschaften für die adaptive und passive Pulsationsdämpfereinheit. Nach den messtechnischen Untersuchungen werden numerische Untersuchungen genutzt, um das Dämpfungsverhalten der adaptiven und passiven Pulsationsdämpfereinheit allgemeingültig für abweichende Randbedingungen beurteilen zu können. Hierzu wird zunächst das strukturdynamische Verhalten der Pulsationsdämpfereinheit reproduziert. Danach wird ein eindimensionales Modell für den Gasmengenversuchsstand auf Basis eines 3-Charakteristikenverfahrens erstellt und eine Übergangsbedingung mit einer geeigneten Fluid-Struktur-Interaktion auf Basis des strukturdynamischen Modells implementiert. Dadurch kann das messtechnisch erfasste Betriebsverhalten der Pulsationsdämpfereinheit numerisch reproduziert werden. Das durch die hohe Abbildungsgüte bestätigte Modellierungsverfahren wird im Weiteren zur numerischen Untersuchung des Betriebsverhaltens der Pulsationsdämpfereinheit bei beliebigen Randbedingungen genutzt. Über eine geeignete Parametervariation werden hierzu gezielt die betriebsrelevanten dimensionslosen Kennzahlen variiert. Zur Bewertung werden diese Untersuchungen auch mit einer als Referenz dienenden statischen Drossel durchgeführt. Als Ergebnis stellt sich ein deutlich besseres Dämpfungsverhalten der adaptiven und passiven Pulsationsdämpfereinheit gegenüber der statischen Drossel heraus. Bei vergleichbarem Druckverlust ist das Pulsationsniveau hinter einer adaptiven und passiven Pulsationsdämpfereinheit in nahezu sämtlichen Betriebsbereichen wesentlich niedriger als bei einer statischen Drossel.Abschließend werden die gewonnenen Erkenntnisse über das Betriebsverhalten genutzt, um Optimierungsmaßnahmen für eine weiter verbesserte Pulsationsdämpfung zu skizzieren. Eine zusätzliche Auslegungsvorschrift ermöglicht es darüber hinaus, universelle Aussagen über das zu erwartende Dämpfungsverhalten für beliebige konzeptgemäße Pulsationsdämpfereinheiten zu treffen.