Beispiel: Dampfkavitation in einer Leitung

Dampfkavitation, insbesondere in Kombination mit Flüssigkeitssäulenabriss, stellt eine ernsthafte Gefahr für Rohrleitungssysteme dar. Diese Phänomene können zu Kavitationsschäden, extremen Druckschwankungen und sogar strukturellen Schäden führen. Zur Reduzierung dieser Risiken und zur Erhöhung der Systemzuverlässigkeit sind eindimensionale Strömungssimulationen (1D-CFD) ein leistungsstarkes Werkzeug für Risikobewertung und Systemoptimierung.

Durch den Einsatz von 1D-CFD-Simulationen können Ingenieure diese schädlichen Effekte frühzeitig erkennen, analysieren und minimieren, um sichere und widerstandsfähige Rohrleitungssysteme in industriellen Anwendungen zu gewährleisten.

Die Leistungsfähigkeit dieser mathematischen Modelle wird anhand einer Beispielsimulation mit DSHplus demonstriert, wobei die leistungsstarken Modelle aus der DSHplus Piping Systems Library zum Einsatz kommen. Das nachfolgende Video präsentiert die Inhalte dieser Seite in Form eines Webinars und zeigt die fortschrittlichen Simulationsmöglichkeiten in Aktion.

Dampfkavitation: Der stille Erosionsprozess

Dampfkavitation tritt auf, wenn der Flüssigkeitsdruck unter den Dampfdruck sinkt, wodurch sich Dampfblasen bilden. Beim Eintritt in Bereiche mit höherem Druck kollabieren diese Blasen schlagartig und erzeugen dabei kraftvolle Mikrostrahlen und Stoßwellen. Diese kontinuierliche Erosionskraft trägt nach und nach die Innenflächen von Rohren, Ventilen und anderen Komponenten ab, was die Lebensdauer des Systems verkürzt und die Wartungskosten erhöht.

Flüssigkeitssäulenabriss: Ein Auslöser für Druckstöße

Flüssigkeitssäulenabriss entsteht, wenn eine kontinuierliche Flüssigkeitssäule aufgrund von Druckschwankungen oder  aufgrung von Unterschieden in der Strömungsgeschwindigkeit trennt, was zu Niederdruck- oder Vakuumbildung führen kann – oft verursacht durch hohe Strömungsgeschwindigkeiten oder plötzliche Richtungsänderungen. Wenn sich die getrennten Flüssigkeitsmassen wieder verbinden, entstehen extreme Druckstöße, die mechanische Spannungen, Materialermüdung und sogar Risse im System verursachen können.

Einsatz von 1D-CFD-Simulationen zur Vermeidung von Kavitation und Flüssigkeitssäulenabriss

Der Einsatz von 1D-CFD-Simulationen bietet eine Vielzahl leistungsstarker Vorteile zur Identifikation und Minimierung der Risiken, die mit Dampfkavitation und Flüssigkeitssäulenabriss verbunden sind:

• Klare Visualisierung des Strömungsverhaltens
  1D-CFD-Simulationen ermöglichen detaillierte Einblicke in Strömungsmuster, Druckverteilungen und kritische Zonen, in denen Kavitation oder ein Flüssigkeitssäulenabriss auftreten kann. Diese Visualisierungen helfen Ingenieuren, Problemstellen präzise zu lokalisieren und Schwachstellen im Design frühzeitig zu erkennen, bevor sie zu Betriebsausfällen führen.
• Früherkennung von Kavitation & Flüssigkeitssäulenabriss
  Durch die präzise Modellierung von Fluidströmungen und Druckschwankungen können 1D-CFD-Simulationen das Auftreten von Kavitation und Flüssigkeitssäulenabriss vorhersagen. Diese vorausschauende Analyse ermöglicht es Ingenieuren, proaktive Maßnahmen zu ergreifen, um potenzielle Schäden zu vermeiden, bevor sie kostspielige Systemausfälle verursachen.​​​​​​​
• Optimierung des Systemdesigns
  Mit 1D-CFD-Simulationen können Ingenieure verschiedene Systemparameter iterativ testen und optimieren, um die Leistung zu verbessern. Änderungen an Rohrdurchmessern, Ventilkonfigurationen oder Durchflussraten können gezielt bewertet werden, um ihre Auswirkungen auf Kavitation und Druckschwankungen zu analysieren. Dies führt zu einem effizienteren und widerstandsfähigeren Design.​​​​​​​
• Umfassende Leistungsbewertung
  Simulationen ermöglichen eine detaillierte Analyse von Druckverlusten, Strömungsgeschwindigkeiten und Kavitationsrisiken unter verschiedenen Betriebsbedingungen. Diese umfassende Bewertung stellt sicher, dass das System sicher und effizient arbeitet, den Verschleiß minimiert und die Lebensdauer der Komponenten verlängert.

Zukunftssichere Rohrleitungssysteme

Dank ihrer leistungsstarken Analysemöglichkeiten bieten 1D-CFD-Simulationen ein umfassendes Werkzeugset zur Identifikation, Analyse und Optimierung von Rohrleitungssystemen. Durch die Nutzung dieser Erkenntnisse können Ingenieure datenbasierte Entscheidungen über Systemdesign, Betriebsbedingungen und Materialauswahl treffen, um die Langlebigkeit und Zuverlässigkeit der Infrastruktur sicherzustellen.