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Dokumentenidentifikation DE102006009646B4 24.01.2008
Titel Verfahren und Anordnung zur Nachbildung einer Raumluftströmung
Anmelder Technische Universität Ilmenau, 98693 Ilmenau, DE;
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., 51147 Köln, DE
Erfinder Thess, André, Prof. Dr. rer. nat., 01309 Dresden, DE;
Wagner, Claus, Prof. Dr.-Ing., 37085 Göttingen, DE
DE-Anmeldedatum 02.03.2006
DE-Aktenzeichen 102006009646
Offenlegungstag 06.09.2007
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 24.01.2008
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.01.2008
IPC-Hauptklasse G01M 9/08(2006.01)A, F, I, 20060302, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F24F 11/00(2006.01)A, L, I, 20060302, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung, mit denen die Bewegung von Luft im Inneren eines Gebäudes, eines Raumes oder einer Passagierkabine in verkleinertem Maßstab nachgebildet werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren wird im Folgenden als Hochdruckmodellierung bezeichnet, die erfindungsgemäße Anordnung wird im Folgenden Hochdruckmodell genannt.

Die Kenntnis der räumlichen Verteilung von Luftgeschwindigkeit, Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit, Schadstoffen, Gerüchen und Krankheitserregern ist für das Wohlbefinden und die Gesundheit von Menschen in Gebäuden und Verkehrsmitteln von großer Bedeutung. Insbesondere ist es bei der Planung von Gebäuden, Kraftfahrzeugen, Schienenfahrzeugen und Passagierflugzeugen von Interesse, für einen gegebenen Innenraum, eine gegebene Anordnung von Heizelementen, Lufteinlässen, Luftauslässen und Wandmaterialien sowie für eine gegebene Zahl und Verteilung von Personen die oben genannten Größen als Funktion von Ort und Zeit genau vorhersagen zu können.

Bei den zum Stand der Technik gehörenden numerischen Methoden werden die Gleichungen der Strömungsmechanik mittels eines Computers gelöst und aus den Lösungen die gesuchten Größen wie zum Beispiel die Strömungsgeschwindigkeit und die Lufttemperatur in der Nähe der Personen bestimmt. Da Raumluftströmungen jedoch turbulent sind, ist ihre numerische Simulation durch große Unsicherheiten gekennzeichnet. Eine zuverlässige Vorhersage von Raumluftströmungen auf alleiniger Grundlage numerischer Methoden ist mithin nach dem derzeitigen Stand der Technik nicht möglich.

In der Aerodynamik ist die experimentelle Methode der Windkanalmodellierung weit verbreitet. Sie ist zur Nachbildung von Zwangskonvektion geeignet, bei der ein Gegenstand wie beispielsweise ein Flugzeug von einem durch Bewegung verursachten Luftstrom umflossen wird. Gemäß der hydrodynamischen Ähnlichkeitstheorie stellt ein verkleinertes Modell des Flugzeuges in einem Windkanal genau dann eine maßstabsgerechte Nachbildung der realen Strömung dar, wenn die Reynoldszahl (Re) von Original und Modell übereinstimmen.

Bei Raumluftströmungen handelt es sich im Gegensatz zu aerodynamischen Umströmungsproblemen um Mischkonvektion. Dieser Strömungstyp ist dadurch gekennzeichnet, dass er sowohl durch mechanische Quellen (Lüfter) als auch durch thermische Quellen (Heizelemente) verursacht wird und deshalb im Gegensatz zur Zwangskonvektion nicht nur durch einen, sondern durch drei Ähnlichkeitsparameter gekennzeichnet wird. Dabei handelt es sich um die Reynoldszahl Re, um die Rayleighzahl Ra und um die Prandtlzahl Pr.

Will man in einem Modellexperiment eine Raumluftströmung nachbilden, so muss man gemäß den Prinzipien der hydrodynamischen Ähnlichkeitstheorie sicherstellen, dass die drei Ähnlichkeitsparameter Re, Ra und Pr des Modells den gleichen Wert besitzen wie die des Originals.

Aus der Literatur (siehe beispielsweise die Druckschrift D. Müller, I. Gores, R. Zielinski, Impact of the Thermal Load an the Room Airflow Pattern; Roomvent 2004, 9th International Conference an Air Distribution in Rooms; Sep 5-8, 2004, Portugal) sind experimentelle Methoden zur Untersuchung von Raumluftströmungen bekannt, bei denen der zu analysierende Raum im Originalmaßstab aufgebaut wird. Hierbei sind die Ähnlichkeitsparameter von Original und Modell automatisch gleich, jedoch ist dieses Verfahren mit einem hohen baulichen Aufwand verbunden und deshalb für viele Fälle nicht praktikabel. Aus der Publikation "The fluid mechanics of natural ventilation" von P.F. Linden, Annual Review of Fluid Mechanics, 1999, vol. 31, 201-238 ist ferner eine experimentelle Methode bekannt, bei der der zu analysierende Raum in einem verkleinerten Maßstab aufgebaut und als Modellsubstanz Wasser statt Luft verwendet wird. Durch geeignete Wahl von Heizleistung und Volumenstrom kann bei dieser Methode die Übereinstimmung von Re und Ra erreicht werden. Der Parameter Pr von Wasser liegt jedoch um mehr als eine Größenordnung über dem von Luft. Somit ist die Wasserströmung im Modell nicht mit der Luftströmung im Original identisch. Auch bei Verwendung von Luft unter Normaldruck ist es nicht möglich, in einem verkleinerten Modell die gleichzeitige Übereinstimmung von Re, Ra und Pr zu gewährleisten, weil die hierfür erforderlichen Temperaturdifferenzen mit der dritten Potenz des Modellmaßstabes ansteigen. So müsste etwa im Fall eines Modellmaßstabes von 1:10 die Temperaturdifferenz zwischen Heizelement und Lufteinlass von 10K rein rechnerisch auf 1000K vergrößert werden, was nicht praktikabel ist.

In den Druckschriften „Steady-State Natural Convection in Empty and Partitioned Enclosures at High Rayleigh Numbers" (D. A. Olson, L. R. Glicksman, H. M. Ferm, Trans. ASME, vol. 112, 1990, pp. 640-647) und „Design of an Experimental Facility for Building Airflow and Heat Transfer Measurements" (Dissertationsschrift Mohammad Elyyan, Oklahoma State University, 2005) werden Gase mit hoher Dichte wie zum Beispiel das Kältemittel 114 auf ihre Eignung als Arbeitssubstanz für Modellexperimente geprüft. Die beschriebenen Experimente werden jedoch ausschließlich bei Normaldruck durchgeführt. Hierbei ist höchstens ein Maßstabsfaktor von 1:5 erreichbar.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung bereitzustellen, die es erlauben, eine Raumluftströmung in einem stark verkleinerten Modell, gekennzeichnet durch Maßstabsfaktoren von mindestens 1:10, unter Beibehaltung aller drei strömungsmechanischen Ähnlichkeitsparameter Re, Ra und Pr nachzubilden.

Die genannten Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und 5 gelöst, während den abhängigen Ansprüchen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zu entnehmen sind.

Als Lösung für die oben gestellten Aufgaben dient das Verfahren der Hochdruckmodellierung. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das verkleinerte Modell des zu untersuchenden Raumes in einem Druckbehälter mit einem komprimierten Gas gefüllt wird, dessen mittlerer Druck und mittlere Temperatur regelbar sind. Da die kinematische Viskosität und thermische Diffusivität komprimierter Gase wie beispielsweise Luft oder Schwefelhexafluorid stark von Druck und Temperatur abhängen, kann durch geeignete Wahl dieser beiden Größen sowie der Heizleistung und Volumenströme eine Übereinstimmung aller drei hydrodynamischen Ähnlichkeitsparameter erreicht werden.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem folgenden, anhand von 1 erläuterten Ausführungsbeispiel.

Nach 1 umfasst das erfindungsgemäße Hochdruckmodell einen Druckbehälter (1) mit Sicherheitsventil (2), der als Arbeitsmedium ein komprimiertes Gas enthält. Vor Beginn der Untersuchungen wird der Druckbehälter mittels einer Vakuumpumpe (3) evakuiert. Anschließend wird das in einer Gasversorgungseinheit (4) bevorratete Arbeitsmedium in den Druckbehälter gepumpt. Im Druckbehälter befindet sich der im verkleinerten Maßstab nachgebaute Modellraum (6), der im Folgenden Gegenstand der Strömungsuntersuchung ist.

Der Modellraum ist mit Heizelementen (9) ausgestattet, deren Heizleistung in einer für den Fachmann geläufigen Weise so zu dimensionieren ist, dass der Ähnlichkeitsparameter Ra mit dem Original übereinstimmt. Der Modellraum besitzt ferner eine oder mehrere Gaseintrittsöffnungen (7) sowie eine oder mehrere Gasaustrittsöffnungen (8). Die Massenströme an den Gaseintrittsöffnungen sind in einer für den Fachmann geläufigen Weise so zu dimensionieren, dass der Ähnlichkeitsparameter Re mit dem Original übereinstimmt. Die Temperatur des Arbeitsmediums an den Gaseintrittsöffnungen (7) wird mittels eines an einen Kühlkreislauf (11) mit einer Kühlmittelpumpe (12) angeschlossenen Wärmetauschers (10) konstant gehalten.

Im Inneren des Modellraums befinden sich ein oder mehrere Personenmodelle (19), mit denen einerseits die Heizwirkung sowie die Atmung von Personen nachgebildet werden kann und an denen andererseits physikalische Größen gemessen werden können, die für die thermische Behaglichkeit von Menschen von Bedeutung sind.

Die im Inneren des Modellraums entstehende Strömung wird durch lokale Sensoren (13) wie beispielsweise Thermoelemente gemessen und in einer ersten Auswerteeinheit (14) analysiert. Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, die Strömungszustände mit berührungslos arbeitenden optischen Strömungsmessgeräten (16), wie beispielsweise einem Laser-Doppler-Anemometer oder einem Particle-Image-Velocimetriesystem, und mit Hilfe einer zweiten Auswerteeinheit (17) zu analysieren oder die Temperaturverteilung im Modellraum mit einem im Inneren oder außerhalb des Druckbehälters installierten Termografiesystems (18) zu ermitteln.

1
Druckbehälter
2
Sicherheitsventil
3
Vakuumpumpe
4
Gasversorgungseinheit
5
Sichtfenster
6
Modellraum
7
Gaseintrittsöffnung
8
Gasaustrittsöffnung
9
Heizelement
10
Wärmetauscher
11
Kühlkreislauf
12
Kühlmittelpumpe
13
Sensor
14
erste Auswerteeinheit
15
Stromversorgung
16
optisches Strömungsmessgerät
17
zweite Auswerteeinheit
18
Termografiesystem
19
Personenmodell
20
Schwebeteilchen zur Sichtbarmachung der Strömung (Tracerteilchen)


Anspruch[de]
Verfahren zur Nachbildung einer Raumluftströmung dadurch gekennzeichnet, dass ein verkleinerter Modellraum (6) eines zu analysierenden Raumes mit einem komprimierten Gas gefüllt wird, dessen mittlerer Druck und mittlere Temperatur so eingestellt werden, dass bei geeigneter Wahl der Leistung der Heizelemente (9) und des Volumenstroms an den Gaseintrittsöffnungen (7) der Strömungszustand des Gases im Modellraum durch die gleichen Werte der hydrodynamischen Ähnlichkeitsparameter Reynoldszahl, Rayleighzahl und Prandtlzahl charakterisiert wird wie im zu analysierenden Raum. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Behaglichkeit durch Messung an mindestens einem in dem Modellraum (6) befindlichen Personenmodell (19) ermittelt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilung von Strömungsgeschwindigkeit, Temperatur, Druck, Wärmestrahlung sowie Konzentration von Gasen durch Sensoren (13) und/oder optischen Strömungsmessgeräten (16) an mehreren Positionen im Modellraum (6) erfasst wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die räumliche Verteilung von Strömungsgeschwindigkeit, Temperatur oder Teilchenkonzentration mittelbar oder unmittelbar visualisiert wird. Anordnung zur Nachbildung einer Raumluftströmung dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einem mit komprimiertem Gas gefüllten Druckbehälter (1), einem Modellraum (6), einer Gasversorgungseinheit (4) mit einer Vakuumpumpe (3), einem Kühlkreislauf (11) mit einer Kühlmittelpumpe (12) und einem Wärmetauscher (10), Strömungsmessgeräten (16) und Termografiesystemen (18) und aus Auswerte-(14, 17) und Stromversorgungseinheiten (15) besteht, wobei der Modellraum (6) mindestens eine Gasein- und -austrittsöffnung (7, 8) aufweist und in seinem Inneren mindestens ein Heizelement (9) und mindestens ein Personenmodell (19) positioniert ist, und dass sie für die Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ausgelegt ist. Anordnung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Wände des Druckbehälters (1) und des Modellraumes (6) teilweise oder vollständig aus einem optisch transparenten Material ausgeführt sind, wobei die Wände des Modellraumes (6) mit einer vorgegebenen Temperatur flächig beheiz- oder kühlbar sind. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 oder 6 dadurch gekennzeichnet, dass an verschiedenen Positionen im Inneren des Modellraums Sensoren (13) angebracht sind, mit denen die mittlere Temperatur, die Strömungsgeschwindigkeit, der mittlere Druck, die Dichte, die Feuchtigkeit oder die Konzentration von im komprimierten Gas enthaltenden chemischen Substanzen gemessen werden können. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsgeschwindigkeit mittels eines im Inneren oder außerhalb des Druckbehälters installierten Strömungsmessgerätes (16) gemessen und mit einer Auswerteeinheit (17) visualisiert werden kann. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturverteilung mittels eines im Inneren oder außerhalb des Druckbehälters installierten Termografiesystems (18) gemessen werden kann. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Personenmodell (19) beheizbar ist und ein Aktuatorensystem zur Bewegung, ein Atmungssystem sowie eine Mehrzahl von Temperatur-, Wärmestrom-, Strahlungs- und Geschwindigkeitssensoren aufweist.






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