2005 - CFD Simulation einer Ranque Hilsch Vortextube



Bei der Expansion kompressibler Gase in einer Wirbelströmung (Drallströmung, Vortex) kommt es zu thermischen Effekten. Diese wurden zuerst von Ranque (1928) beobachtet, detailliertere Untersuchungen wurden Hilsch (1940) durchgeführt. Komprimiertes Gas wird über einen tangentialen Eintritt in das zylindrische Wirbelrohr geführt. In der Mitte des oberen Endes der Vortextube wird ein Kaltgasstrom abgezogen, die übriggebliebene, wärmere Luft verläßt das Gerät am entgegengesetzten Ende durch einen Ringspalt mit variabler Breite. Diese Art der Temperaturseparation, die ohne bewegte Teile auskommt, kann verständlicherweise in vielen Bereichen der Verfahrenstechnik zum Einsatz kommen. Zur weiteren Analyse wurde ein Modell der Vortextube nach vorliegenden Entwürfen simuliert und im Labormaßstab gemessen.

Das Simulationsmodell wurde mit dem kommerziellen Geometriepräprozessor GAMBIT implementiert und mit einem Rechengitter (Mesh) versehen. Die Simulationen wurden mit dem Finite-Volumen-Code FLUENT durchgeführt. Das 3D-Gitter des Wirbelrohres umfaßte zwischen 300000-600000 Zellen (finite volumes). Der wichtigste Simulationsparameter war die geeignete Wahl des Turbulenzmodelles und der Zustandsgleichung für das Gas: Nur bei Anwendung von RSM zur richtigen Abbildung der reinen Wirbelströmung (Rankine-Wirbel) und der Abbildung der Kompressibilitätseffekte mittels der Idealgasgleichung konnte eine Temperaturseparation in der Simulationsrechnung dargestellt werden.

Trotz stark vereinfachender Annahmen in der Rechnung ist es möglich, die Abhängigkeit der thermischen Separationseffekte von verschiedenen Strömungsparametern zu untersuchen. Die Temperaturen des heißen und des kalten Gasstromes stimmen größenordnungsmäßig mit den Ergebnissen der Experimente überein, die berechneten Volumenströme liegen im Rahmen des Meßfehlers. Weitere Messungen sind jedoch erforderlich, um die Einstellungen bei der Turbulenzmodellierung zu verbessern, Insbesondere Versuchsmessungen mit Laser Doppler Anemometrie (LDA) zur Erfassung der Geschwindigkeitsfelder.

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