In Rohr- und Kanalnetzen werden Krümmerverluste üblicherweise aus Tabellen entnommen. Diese Werte sind richtig — für einen einzeln stehenden Krümmer mit gleichförmiger Zuströmung.
Dean-Wirbel
In einem gekrümmten Kanal drückt die Zentrifugalkraft das Fluid zur Außenwand; die Kontinuität gleicht das mit zwei gegenläufigen Zellen aus. Das Ergebnis ist eine Sekundärzirkulation, die sich der Axialströmung überlagert und über Dutzende Durchmesser hinter dem Krümmer nicht abklingt.
Das hat zwei Folgen:
Der Verlust steigt. Auch die Sekundärzirkulation verbraucht Energie; der Gesamtverlust liegt über dem Tabellenwert des einzeln stehenden Krümmers.
Die nachgeschaltete Strömung ist gestört. Was einen Krümmer verlässt, ist nicht gleichförmig. Ein unmittelbar dahinter eingebautes Durchflussmessgerät zeigt falsch an, ein Ventilator erleidet einen Systemeffekt, ein Wärmeübertrager ein Verteilungsproblem, und die Saugseite einer Pumpe wird verschlechtert.
Krümmer in Reihe
Folgen zwei Krümmer aufeinander, ist der Gesamtverlust nicht die Summe der Einzelverluste. In derselben Ebene kann die Sekundärströmung verstärkt oder aufgehoben werden; in verschiedenen Ebenen entsteht eine dreidimensionale Drallströmung und der Verlust steigt deutlich. Das Addieren von Tabellenwerten führt hier systematisch in die Irre — es ist eine der klarsten Stellen, an denen sich CFD in der Anlagenauslegung bezahlt macht.
Eine Anmerkung zur Modellierung
Die Sekundärströmung besteht aus Geschwindigkeitskomponenten quer zur Axialströmung, und diese Komponenten sind klein. Ein grobes Netz oder ein Verfahren erster Ordnung löscht sie mühelos aus. Das Netz muss über den Querschnitt genügend aufgelöst sein, und die Lösung muss in zweiter Ordnung abgeschlossen werden.
Auf der Turbulenzseite sind isotrope Zweigleichungsmodelle schwach darin, die Anisotropie einer Drallströmung zu erfassen; wo die Stärke der Sekundärströmung zählt, ist ein Reynolds-Spannungsmodell realistischer [1]. Dieselbe Einschränkung gilt in Zyklonabscheidern.
Referenzen
- Launder, B. E., Reece, G. J. & Rodi, W. (1975). Progress in the development of a Reynolds-stress turbulence closure. Journal of Fluid Mechanics, 68(3), 537–566.
- Ferziger, J. H., Perić, M. & Street, R. L. (2020). Computational Methods for Fluid Dynamics, 4th ed. Springer. DOI: 10.1007/978-3-319-99693-6