Periodische Druckschwankungen in einem Triebwasserweg mit Trifurkator

Abstract

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung von in einem Triebwassersystem beobachteten periodischen Druckschwankungen mit Hilfe von physikalischen Modellversuchen und begleitenden Berechnungen.<br />Die Modelluntersuchungen gliedern sich in die Untersuchung einer möglichen Anregungsquelle unter stationären Zuströmbedingungen sowie des Übertragungsverhaltens des Leitungssystems bei externer Anregung. Als mögliche Quelle der Schwingungen werden Scherschichtwirbel identifiziert, die in der Scherschicht hinter der Schnittkante eines Dreifach-Verzweigers (Trifurkator) generiert werden. Aus dynamischen Druckmessungen unter stationären Randbedingungen können durchflussabhängige verstärkte Frequenzbereiche abgeleitet werden. Diese weisen charakteristisches Scherschichtverhalten auf, so dass mit einer Stabilitätsbetrachtung grundsätzliche Aussagen zur Übertragbarkeit der kritischen Frequenzbereiche zwischen Modell und Prototyp gemacht werden können. Aufgrund der komplexen dreidimensionalen Strömung in der Verzweigung und der hohen Sensitivität der Scher-schichtentwicklung in Bezug auf zahlreiche Einflussparameter ist die Prognosegüte jedoch eingeschränkt.<br />Eine Verstärkung der in der Scherschicht generierten Druckschwingungen kann durch das Übertragungsverhalten des Triebleitungssystems erfolgen.<br />Hierbei spielt die geometrische Ausführung des Trifurkators eine maßgebliche Rolle, da durch das große Volumen entsprechende Reflexionen hervorgerufen werden. Die Untersuchung des Übertragungsverhaltens erfolgt durch dynamische Druck-messungen für periodische und Einzelimpuls-Anregung sowie durch mathematische Berechnungen auf Basis der eindimensionalen Wellenausbreitung. Genauigkeitseinbußen sind hier durch die komplexe Geometrie und die Abbildung des Materialverhaltens der Rohrwand gegeben.

This thesis deals with the investigation of periodic pressure fluctuations, which have been observed in a branched pipe system of a hydropower plant, by means of hydraulic model tests and accompanying calculations. The model tests aim on the one hand at the investigation of a possible source of the fluctuations under stationary flow conditions, on the other hand at the determination of the transfer function of the pipe system.<br />Shear layer vortices, which are generated in the shear layer behind an edge of the penstock trifurcation, are identified as a possible source of the pressure fluctuations. Dynamic pressure measurements under stationary flow conditions reveal discharge dependent dominant frequency ranges, which show characteristic behaviour of shear layer vortices.<br />Using hydraulic stability theory general conclusions can be drawn regarding the scaling laws of critical frequencies between model and prototype. However, due to the complex three-dimensional flow field in the trifurcation, the precision of these scaling laws is limited. Amplification of the vortice-generated pressure fluctuations may occur due to the transfer behaviour of the pipe system. The geometric form of the trifurcation is of special concern in this regard, as the large trifurcation volume causes strong reflections. Investigation is conducted by dynamic pressure measurements for impulse and periodic external excitation and is accompanied by calculations based on one dimensional wave theory. Precision is limited in this case because of the complex geometry and the simulation of material properties of the duct walls.