Ähnlichkeitstheorie 2017-05-02T15:02:28+00:00

Die Ähnlichkeitstheorie ist effizient und spart Kosten!

 Selbst große Werke beginnen oftmals im kleinen; ein typisches Anwendungsgebiet der Ähnlichkeitstheorie.Ähnlichkeitstheorie & Modellübertragung: Tools für die Praxis

Die Methoden der Ähnlichkeitstheorie und Modellübertragung stellen wissenschaftlich fundierte und sehr nützliche Tools dar, die in der Strömungsmechanik und vielen weiteren verfahrenstechnischen Untersuchungen und Optimierungen zum Einsatz kommen. Mit diesen Tools lassen sich kostengünstig und rasch Ergebnisse aus Modellversuchen auf Hauptausführungen übertragen.

Einige Beispiele für die Anwendung der Ähnlichkeitstheorie in der Technik:

  • Die sicherlich bekanntesten Beispiele für die Anwendung der Ähnlichkeitstheorie und Modellübertragung sind strömungstechnische Untersuchungen und Optimierungen an Schiffsrümpfen und Tragflächen von Flugzeugen. Hierzu werden Modelle, welche den Gesetzmäßigkeiten der Ähnlichkeitstheorie folgen, in Wind- beziehungsweise Wasserkanälen untersucht und gemessen.
  • Das Scale-up unter Berücksichtigung der Ähnlichkeitstheorie wird genutzt, um Mischprozesse in Rührkesseln zu optimieren und den gegebenen Anforderungen anzupassen.
  • Ebenso kommen diese Methoden zum Einsatz, wenn chemische oder thermische Vorgänge näher untersucht werden müssen. Bekannt sind hier die dimensionslosen Kennzahlen Sherwood-Zahl, Sh, oder die Nusselt-Zahl, Nu.
  • In der gesamten Düsentechnik spielen ähnlichkeitstheoretische Betrachtungen eine enorm wichtige Rolle. Die meisten Zerstäubungsprozesse finden turbulent und stochastisch, also zufallsgesteuert, statt. Es liegen keine trivialen Berechnungsgleichungen vor, um reale Tropfengrößen, Volumenströme oder andere Zielgrößen zu berechnen. Die meisten Berechnungsgleichungen für Düsen und Zerstäuber wurden empirisch hergeleitet. Also durch Versuche unter Anwendung der Ähnlichkeitstheorie.

Ähnlichkeitstheorie und Modellübertragung als Ergänzung zur numerischen Strömungssimulation, CFD.

Die Ähnlichkeitstheorie und die numerische Strömungssimulation, auch CFD genannt, stehen nach unserem Verständnis nicht in Konkurrenz zueinander. Ganz im Gegenteil! Beide Methoden können sich hervorragend ergänzen, um rasch und kostengünstig effiziente Prozessoptimierungen zu realisieren.

Numerische Strömungsberechnung - Beispiel einer Geschwindigkeitsverteilung im Austritt einer Düsenmündung - Bild: IBR Zerstäubungstechnik GmbH

Ähnlichkeitstheorie und Modellversuche zur Prüfung der Ergebnisse aus CFD-Berechnungen.

Hinzu kommt, dass Ergebnisse aus CFD-Berechnungen üblicherweise durch experimentelle Untersuchungen verifiziert, also überprüft, werden müssen. Auch hier bietet sich natürlich die Ähnlichkeitstheorie zur Zeit- und Kostenersparnis an.

Der enorme Vorteil der Ähnlichkeitstheorie besteht in diesem Zusammenhang unter anderem auch darin, dass nicht alle Teilprozesse der CFD-Berechnung detailliert betrachtet werden müssen.

Vielmehr kann ein Kontrollraum gewählt werden, welcher bei einem Minimum an Aufwand ein Maximum an Ergebnissen und Überprüfungen liefert!

 

Weitere Beispiele aus der Praxis.

  • Gelegentlich sind für eine Produktion sehr große Volumenströme an Flüssigkeit zu zerstäuben. Im Rahmen experimenteller Untersuchungen im Labor bereitet dieses dann gelegentlich Probleme. Entweder stehen erforderliche Pumpen oder Kompressoren ad hoc nicht zur Verfügung oder aber die Spraymesstechnik stößt an ihre Grenzen.
  • Es kommt zudem hin und wieder vor, dass die Original-Fluide sehr kostspielig, toxisch oder explosibel sind. Versuchsreihen im Labor mit derartigen Flüssigkeiten durchzuführen, ist in der Regel ebenfalls oftmals problematisch. Gerade in der Zerstäubungstechnik und der intelligenten Düsensteuerung ist es jedoch von besonderer Bedeutung, dass für experimentelle Untersuchungen und Optimierungsmaßnahmen die rheologischen Eigenschaften der Fluide „passen“ müssen.

Was kann man in diesen Fällen unternehmen?

Experimentelle Studien unter Anwendung der Ähnlichkeitstheorie sind hier die Lösung!

Liegen hinsichtlich der Verwendung von Original-Fluiden unter Laborbedingungen die erwähnten Einschränkungen vor, lassen sich in den meisten Fällen dennoch reproduzierbare Ergebnisse zu dem Verhalten einer Düse oder eines Zerstäubers erzielen. Selbstverständlich gelingt es auch, selbst komplexe und in Wechselwirkung stehende Prozessabläufe abzubilden!

Im einfachsten Fall kann man ein Modell-Fluid auswählen, welches aus strömungstechnischer Sicht die identischen rheologischen Eigenschaften wie das Original-Fluid aufweist. Hier verfügen wir über eine große Bandbreite an Modellfluiden, deren Eigenschaften individuell angepasst werden können.

Dieses gelingt jedoch nicht immer. Dann beispielsweise, wenn die erwähnten hohen Volumenströme oder extreme Druckdifferenzen erforderlich sind. In diesen Fällen ist eine ähnlichkeitstheoretische Betrachtung und eine Modellübertragung erforderlich.

Vereinfachend dargestellt kann man sagen, dass zwei verschiedene physikalische, chemische oder thermische Prozesse identisch ablaufen, wenn alle beschreibenden dimensionslosen Kennzahlen beider Prozesse identische Beträge aufweisen.

Kennlinien für eine intelligente Düsentechnik mit der Ähnlichkeitstheorie erstellen.

Der große Vorteil für Ihr Projekt! Wir verfügen nicht nur über eine langjährige Erfahrung mit der Anwendung ähnlichkeitstheoretischer Methoden und das erforderliche wissenschaftliche Know-how. Vielmehr sind wir in der Lage, eine spezielle und nicht öffentlich verfügbare Software einzusetzen, mit welcher sich auch komplizierte Sachverhalte transparent darstellen lassen.

Bis hin zur Möglichkeit, individuelle Gleichungen für System- und Anlagensteuerungen zu liefern!

Auf den folgenden Seiten finden Sie eine verständliche und umfassendere Darstellung zum Einsatz dieses mächtigen Software-Tools sowie ein Beispiel für die Kennlinie einer Einstoff-Druckdüse. 

Sie wünschen sich eine intelligente Düsentechnik und möchten flexibel auf Schwankungen in Ihren Betriebsbedingungen reagieren können?

Sie wollen die Betriebssicherheit Ihres Prozesses erhöhen und Störungen vermeiden?

Die Hotline der IBR Zerstäubungstechnik GmbH berät Sie umfassend zu den Möglichkeiten der Ähnlichkeitstheorie und ModellübertragungDann nehmen Sie doch einfach jetzt Kontakt zu unseren Spezialisten für die Prozessoptimierung und Modellübertragung auf oder wählen Sie unsere

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