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Servus,

ich bitte um Verzeihung für den Crosspost, aber da Reaktionen auf den ursprünglichen Post im SWX-Simulationsforum bisher ausgeblieben sind, würde ich es gerne hier noch einmal versuchen.

Mein Problem besteht darin, dass bei der CFD-Berechnung eines Hydraulikventils (ich denke mal durch die starke Beschleunigung des inkompressibel modellierten Fluides in den Querschnittsverengungen) Bereiche auftauchen, in denen der Druck negativ wird. Der Betrag des negativen Drucks übersteigt bisweilen sogar den Eingangsdruck deutlich.
Wenn ich mir die Reaktionskraft auf die Ventilkugel ausgeben lassen möchte, wird der negative Druck natürlich in eine Zugkraft umgerechnet, wodurch sich die Kugel von selbst gegen die Strömungsrichtung (und meine Erwartung!) bewegen würde.

Wenn ich in der Simulation die Kompressibilität des Fluides berücksichtige, wird das Ergebnis "besser", der Druck und damit die Reaktionskraft bleiben also durchgängig positiv.

Nun meine Frage: Obwohl die Rechnung mit Kompressibilität physikalisch ja richtiger sein müsste, bin ich doch über das Ausmaß des Unterschiedes etwas überrascht. Kann ich in diesem Fall ruhigen Gewissens davon ausgehen, dass ich mich einfach in einem Bereich befinde in dem ich einfach die Kompressibilität nicht mehr vernachlässigen darf? Oder gibt es noch andere Stolpersteine, die mich meine Ergebnisse noch mal überdenken lassen sollten?

(Ich gebe zu, mich bisher eher mit strukturmechanischen Simulationen beschäftigt zu haben, für die Fluidsimulation fehlt mir noch ein bisschen das Gefühl  )

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Hallo Rill, hast Du dich schon mit der Thermodynamik von Wasser
beschäftigt ?
Kennst Du den Hagen -Posiolle oder den Venturi. 

Weißt Du wie eine Wasserstrhalpumpe funktioniert.
Bei den Drücken und Geschwindigkeiten hast Du ständig Übergänge zwischen laminar und turbulent.
Die kann man zwar berechnen aber mit sehr viel Unsicherheit. 

Die Radien spielen hier natürlich ein große Rolle. 

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Klaus

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Servus,

die Herren Bernoulli und Venturi sind mir bekannt und meiner Meinung nach auch für den beschriebenen Effekt verantwortlich (deswegen auch der Titel meiner Frage   )

Mit dem Hagen-Poiseuille kann ich doch im Endeffekt nur die Durchflussmenge berechnen, oder? (Die stimmt übrigens bei vollständig geöffnetem Ventil in meiner Simulation ganz gut mit experimentellen Vergleichsdaten überein, egal ob kompressibel oder inkompressibel.)

Wie gesagt: Meine Frage ist vor allem, wie ich das Phänomen "negativer Druck -> negative Kraft" interpretieren soll. Ist das ein grundsätzlicher Fehler in der Modellierung, ein real existierendes Phänomen, ein Zeichen für die Relevanz der Kompressibilität oder etwas ganz anderes (z.B. Indiz für Kavitation)?

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[Diese Nachricht wurde von Rill am 23. Jun. 2014 editiert.]

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Ich wollte nur sagen, daß Wasser bei 1013 mbar und 0° und 100 °C ein Phasenumwandlung und einen Haltepunkt hat.

Da passieren die tollsten Sachen.  Die Punkte verändern sich unter Druck.

Eine Wasserstrahlpumpe nimmt man zum saugen, weil sie Unterdruck erzeugt.

Dann gibt es noch den Reynold mit der Reynoldszahl. Bei Flüssigkeiten sollte man zuerst prüfen ob man im laminaren oder turbulenten Bereich ist.

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Klaus

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Servus!

Da hab ich mich anscheinend im Eingangspost nicht ganz klar ausgedrückt: Ich betrachte ein Hydraulikventil in der Simulation. Mein Druckmedium ist Hydrauliköl, Phasenumwandlungen sind im Modell gar nicht erst berücksichtigt. Ob ich laminare oder turbulente Strömung annehme macht bezüglich der für mich interessanten Ergebnisse hier keinen nennenswerten Unterschied.
Bilder gibt's übrigens im oben verlinkten Originalpost.

Dass der Unterdruck bei beschleunigter Strömung ein reales Phänomen ist, ist mir bekannt.
Wo ich so meine Schwierigkeiten habe ist die Tatsache, dass ein Kugelrückschlagventil in meiner Simulation aber eher zu- als aufmachen würde, wenn es angeströmt wird.
Durch den Unterdruck im Spalt entsteht eine Zugkraft auf die Ventilkugel, welche bisweilen stärker ist als die Druckkraft, die aus dem Staudruck durch die Anströmung resultiert. Und das kann meiner Meinung nach definitiv nicht realistisch sein.

Bei Berücksichtigung der Kompressibilität fällt der Druck zwar auch ab, aber eben nicht auf Null oder darunter.

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In dem oben verlinktem Post stand Wasser. Deswegen ging ich von Wasser aus.

Habe mir die Bilder nochmal reingezogen. Du hast da Geschwindigkeiten von ca. 230 m/s und Drücke von + 100 bis -250 bar.

Rein Physikalisch gibt es keinen Druck unter Null. Weniger als Vakuum geht halt nicht. Also muß schon in der Rechnung ein gewaltiger Fehler liegen.
Hast Du irgendwelche Werte falsch eingegeben ?  Soweit zur Theorie.

Da Hydrauliköl aus Olefinen ( polymere Kohlenwasserstoffe ) besteht ist hier das Schergefälle wichtig.
Das ist die Steigung der Parabel für die Geschwindigkeitsverteilung über den Querschnitt. Also die Reibung des Öls aneinander.
Die kann so hoch sein, daß sich das Öl partiell überhitzt oder die Meleküle mechanisch aufbrechen.

Der Hersteller des Öls gibt da bestimmt Werte für Druck und Scherung an.

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Klaus

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Grmbl, stimmt natürlich: Das Mustermodell, das ich hochgeladen habe arbeitet mit Wasser (voreingestellte Fludiparameter, um Fehlerquellen möglichst auszuschließen). Ziel der Übung ist allerdings die Simulation mit Hydrauliköl. In der verwendeten Modellierung ändern sich zwischen Wasser und Öl aber erstmal nur Dichte und Viskosität, so dass der Unterschied nicht grundlegender Natur ist. Das Problem tritt genauso bei Öl auf.

Ansonsten ist das Modell auch recht simpel aufgebaut: Am Eingang liegt als Randbedingung ein Umgebungsdruck von 100 bar an, am Ausgang Normalbedingungen mit 1 bar (Randnotiz: Mich wundert, dass die Simulation konvergiert, obwohl die Auslassrandbedingung scheinbar nicht erfüllt wird)

Dass negativer Druck physikalisch unsinnig ist ist klar, deswegen auch der Titel der Fragestellung "wie interpretiere ich negativen Druck".

Die Beständigkeit des Hydrauliköls unter vergleichbaren Bedingungen dürfte gegeben sein, da mir teilweise Vergleichsdaten von real im Einsatz befindlichen Ventilen vorliegen:
Ich habe einige Kennlinien,  die die Durchflussmenge in Abhängigkeit des Druckes bei voll geöffnetem Ventil beschreiben, die passen auch zu den Simulationsergebnissen. Leider kann ich aber in diese Ventile nicht "hineinschauen", so dass mir für den Parameter "Kraft auf Ventilkugel" keinerlei Anhaltswerte vorliegen mit denen ich meine Simulation vergleichen könnte.

Zwar bekomme ich ja bei Berücksichtigung der Kompressibilität halbwegs glaubhafte Ergebnisse, aber auch wenn die Fluidmechanik-Vorlesungen auch schon wieder eine Weile her sind kann ich mich doch daran erinnern, dass man bei Flüssigkeiten die Kompressibilität normalerweise recht ruhigen Gewissens vernachlässigen kann. Dementsprechend haut mich das Ausmaß des Unterschiedes schon ziemlich von den Socken...
Unabhängig davon ist es mir einfach wichtig, das Modell grundsätzlich so richtig wie möglich zu bekommen und nicht Ergebnisse so hinzufummeln, dass sie zufällig zu den Vergleichsmessungen passen.

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Hallo Rill, bei solchen brutalen Fehlern würde ich die Hotline in Anspruch nehmen oder eine andere Software verwnden.

Es bringt wirklich nichts darüber noch zu diskutieren.

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Klaus

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Tja, das wird dann wohl das beste sein.

Vielen Dank trotzdem für Deine Hilfe!

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So, jetzt muss ich den Thread doch noch mal aufmachen.

Laut Support bedeutet "negativer Druck" dass das Fluid an der Stelle kavitieren würde. Scheint ja bei Ventilen in dem Einsatzbereich auch nicht ganz ungewöhnlich zu sein, wenn ich mir die Literatur so anschaue. Mit der Erklärung kann ich leben.

Wo ich mir allerdings noch immer nicht ganz sicher bin ist folgendes: Wie berechne ich die Kraft auf die Ventilkugel (bzw. den Ventilstößel)? Obwohl ich ja wahrscheinlich nicht ganz der erste sein dürfte der sich mit dieser Frage konfrontiert sieht, übersteigt das Problem anscheinend die Komplexität klassischer Lehrbuchbeispiele. Jedenfalls habe ich bisher nichts hilfreiches gefunden 

Ich habe mir zur Kontrolle und zum besseren Verständnis noch ein Modell eines Kegelsitzventils mittels Handrechnung und Excel gebaut. Das Modell ist eigentlich nur eine Hintereinanderschaltung von Rohren, Düsen und Drosseln, berechnet über Bernoulli unter Berücksichtigung der jeweiligen Verlustbeiwerte. Damit bekomme ich auch etwa die gleichen Durchflusswerte wie in einem CFD-Modell mit den gleichen Parametern. Auch da ergibt sich im engsten Querschnitt negativer Druck.

Wenn ich das richtig verstanden habe ist das aber nur der statische Druck, oder?
Müsste für die Kraft auf den angeströmten Körper nicht eigentlich eher die Summe aus statischem und dynamischem Druck maßgeblich sein? Oder nur der dynamische Anteil?
Damit würde ich jedenfalls durchgängig positive Werte bekommen...

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http://www.cfd-online.com/Forums/cfx/20335-negative-pressure.html#post68890

http://www.gunt.de/download/cavitation%20in%20pumps_german.pdf

http://www.samson.de/pdf_de/l351de.pdf

ftp://ftp.ifas.rwth-aachen.de/Veroeffentlichungen/OuP_2004_09_Schuster_Verringerung_der_Kavitationsneigung_bei_hydraulischen_Ventilschiebern.pdf

[Diese Nachricht wurde von alex am 10. Jul. 2014 editiert.]

[Diese Nachricht wurde von alex am 10. Jul. 2014 editiert.]

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Servus,

danke für die Infos, aber ich finde in den ersten beiden Links leider nichts was mir direkt weiterhilft bzw. was ich noch nicht wusste...
Beim dritten muss ich mir mal die Sekundärliteratur anschauen, vielleicht ist da noch was dabei.
Wie gesagt: Ich verstehe das mit der Kavitation und der beschleunigten Rohrströmung in kleinen Querschnitten. Das Auftreten von Kavitation und ihre schädigenden Einflüsse sind mir (für den Moment) aber erst einmal weitgehend egal.
Ich will nur wissen wie eine halbwegs brauchbare Modellierung aussehen muss, um überschlagsmäßig ein federbelastetes Druckbegrenzungsventil nachzurechnen bzw. auszulegen.
Also letzten Endes interessiert mich nur, welcher Durchfluss sich bei welcher Druckdifferenz einstellt. Und das ist nunmal innerhalb gewisser Grenzen abhängig vom Hub des federbelasteten Stößels

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[Diese Nachricht wurde von Rill am 10. Jul. 2014 editiert.]

[Diese Nachricht wurde von Rill am 10. Jul. 2014 editiert.]

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pres_zu.JPG pres_offen.JPG pres1.JPG

Also, das schaut schon komisch aus.
Hab mal was ähnliches mit ANSYS gerechnet (mit Wasser als Medium, 100bar Eingangsdruck, Ausgangsdruck 0Pa), hab mich mit "moving mesh" gespielt. Und so ein Ventil eignet sich dafür gut.
Hatte auch "negative Drücke" im Ergebnis, aber die Bereiche sind im Verhältnis zu den Elementen sehr klein. Auch bleibt dieser bei meiner Rechnung um ca. 1 Zehnerpotenz kleiner als der Eingangsdruck. Du hast aber ca. den 2.5-fachen Wert des Betrages. ?? Wenns genauer wissen willst, ist dieser Bereich sehr fein zu Vernetzen.
Das verwendete Turbulenzmodell hat hier sicherlich Einfluss. Den Begriff des numerischen Fehlers werfe ich auch mal in den Raum...
Schau dir auf jeden Fall an, wo und wie groß die "Negativdruckbereiche" sind und wie sie sich mit der Kugelstellung verändern.
Ob du das Fluid kompressibel oder inkompressibel definierst, sollte auf die Reaktionskraft keinen so signifikanten Unterschied machen wie du ihn beschreibst. Hier ist wohl noch mehr "faul".
Ich hab nach der 2. Iteration in alle Richtungen nur positive Ergebnisse (d.h. Kugel wird Weggedrückt).
Der Druckverlauf bei "teilweise offen" ist stark zu hinterfragen, vieleicht liegt es auch an der Skala. Ändere mal die Skalierung (1e5Pa als MIN-Wert) und schau was sich um die Kugel so tut.
Dass die maximale Geschwindigkeit bei "teilweise offen" und "ganz offen" praktisch gleich groß sind, kommt mir auch etwas eigenartig vor, wenn du den Durchfluss an der Austrittsstelle berechnest, deckt sich das mit Messergebnissen?

Zum Modell: Der Bereich zwischen Kugel und Auslass erscheint mir sehr kurz (ich hab das in meinem Modell nur so kurz um die Rechenzeit kurz zu halten, ich wollt ja nur die Veränderung der Vernetzung testen). Schieb diese Fläche mal zumindest noch 1 Kugeldurchmesser nach außen.
Und noch was anderes: ein derart großer Hub ist bei einem Überdruckventil nicht üblich. Realistisch hätt ich mal geschätzt etwa die Hälfte des gezeigten Hubes.

Viel Erfolg

Und übrigens: Bernoulli kan nix dafür ;-)

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mechanical

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Servus!

Meine Erklärung des Phänomens war schlussendlich, dass (warum auch immer) in meiner SWX-Simulation nur der statische, nicht aber der dynamische Druck ausgegeben wurde. Ich weiß zwar nich mehr genau was ich falsch gemacht hatte (ist ja auch schon eine Weile her), jedenfalls liefert der korrekt berechnete Gesamtdruck dann auch realistische Reaktionskräfte.

Und der Bernoulli ist doch schuld am "Saugen" 

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