Programmbeschreibung

Druckstoß Analysen

Druckstöße in Leitungssystemen werden erzeugt, wenn ein Fluid beschleunigt oder abgebremst (verzögert wird).Die Größe dieser Druckstöße hängt von der Verzögerung (Beschleunigung) der Mediumsdichte sowie von der örtlichen Schallgeschwindigkeit ab mit der sich diese Druckwellen fortpflanzen.Druckstöße bewirken nicht nur eine kurzzeitige Druckänderung im System, sondern erzeugen dynamische äußere Lasten, die erhebliche Größen annehmen und für diverse Schäden an Leitungen, Anschlüssen oder Unterstützungen verantwortlich sein können.
Daher ist die Berechnung im voraus wünschenswert, um schon in der Planung entsprechende konstruktive Maßnahmen einfließen zu lassen, damit keine Überbeanspruchung des Systems eintreten kann. Es wurden besondere Anstrengungen unternommen entsprechende leistungsfähige Rechenverfahren und Computerprogramme zu entwickeln, die auch komplexe, vermaschte Systeme mit einer Vielzahl von Armaturen und Randbedingungen berechnen können. Die mit einer fluiddynamischen Analyse ermittelten zeitabhängigen äußeren Lasten werden für strukturdynamische Analysen verwendet, um dann die tatsächlichen Beanspruchungen des Rohrsystems und der Unterstützungen zu erfassen und entsprechend zu bewerten.

Mit dem vielfach eingesetzten und bewährtem Druckstoßprogramm HYDRIA (HYDRaulische Instationäre Analyse) für Flüssigkeiten werden die Rohrsysteme einschließlich Pumpen, Armaturen und Komponenten hinsichtlich der Druckwellen analysiert.Das bestehende Computer-Programm arbeitet nach dem Verfahren der Finiten Differenzen (Prädiktor-Korrektor-Verfahren). Es können Pumpenausfall, Pumpenanfahren sowie Armaturenoperationen berechnet werden, wobei die "Rohratmung" auf Grund der Rohrwandelastizität mit berücksichtigt wird. Hierbei wird das gesamte Rohrleitungssystem in kurze Abschnitte diskretisiert und in sehr kleinen Zeitschritten im Millisekundenbereich durchgerechnet. Die partiellen Differentialgleichungen (Navier Stokes) für den Erhalt des Impulses und der Masse werden mittels finiten Differenzen gelöst, und in jedem Abschnitt die Zustandsgrößen des Fluids wie Dichte, Druck und Geschwindigkeit für jeden Zeitschritt berechnet. Die Ergebnisse werden grafisch dargestellt und als Plotterbilder ausgegeben.

Ebenso können die Druckstoßkräfte durch Ansetzen des Impulssatzes am Ort der Bögen zeitabhängig berechnet und dokumentiert werden. Als Datenfile können diese für strukturdynamische Rohrleitungsberechnungen weiterverwendet werden.

Die Modellierung der Pumpen und Armaturen (z.B. freischwingende Rückschlagklappen) erfolgt derart, daß für jeden Zeitschritt die Bewegungsgleichung gelöst und numerisch integriert wird, wenn das Strömungsprogramm während der Berechnung den Abschnitt erreicht hat, in dem sich die Pumpe oder Armatur befindet. Die zeitabhängigen Ergebnisse wie Pumpendrehzahl, Förderhöhe, Klappenwinkel usw. werden für die Strömungsberechnung simultan vom Programm übergeben und können ebenfalls als Plotterbilder ausgegeben werden. Während der Berechnung wird für jeden Abschnitt und Zeitschritt der Rohrreibungsterm berechnet. Zusammen mit zusätzlichen Widerstandsbeiwerten, die Einbauten wie Blenden oder Bögen repräsentieren, wird dieser Reibungsterm im Impulssatz berücksichtigt. Dadurch wird der Reibungsdruckverlust sehr gut berechnet und bewirkt eine Dämpfung der Druckwellen, die mit der Zeit abklingen.

Es sind verschiedene Armaturenmodelle im Programm implementiert. Dazu gehören Rückschlagventile gedämpft und ungedämpft, Rückschlagklappen freischwingend und gesteuert, sowie Sicherheits- und Regelventile.

Pumpen werden durch Eingabe der Q-H Kennlinien und Anfangsdrehzahl vom Programm als Radial-, Halbaxial-, oder Axialpumpe interpretiert und über den 1. Quadranten des Kennfeldes hinaus berechnet, wenn diese z. B. negativ durchströmt wird.

Für die instationäre Berechnung kompressibler Fluide, wie Gase und Dämpfe wird das Programmsystem HYDRIAG eingesetzt, das zusätzlich die Energieerhaltungsgleichnung verwendet und ebenfalls mittels finiter Differenzen integriert. Auch in diesem Programm sind verschiedene Armaturenmodelle implementiert, bei denen auch kritische Strömungen berechnet werden.

Durch diverse Vergleichsrechnungen mit Messungen und mit anderen Druckstoßprogrammen wurde das verwendete Programmsystem validiert.

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