Was ist der Unterschied zwischen laminaren und turbulenten Strömungen?

Thermische Durchflussmessgeräte liefern bei laminarer Strömung die besten Ergebnisse, zumindest wenn man die thermischen Massendurchflussmesser und -regler mit Bypass-Sensor betrachtet.

In der Praxis treten allerdings häufig turbulente Strömungen auf. Eine turbulente Strömung kann durch Strömungshindernisse in einer Anlage, wie z.B. Ventile oder Adapter, in Kombination mit einer hohen Strömungsgeschwindigkeit der Fluide verursacht werden. Dieser Effekt wird als "Turbulenzeffekt" bezeichnet. Eine turbulente Strömung kann die Genauigkeit Ihrer Messung beeinträchtigen und das sollte bei der Verwendung von Bypass-Durchflussmessern möglichst verhindert werden.

Wie lassen sich nun Turbulenzeffekte verhindern? Beginnen wir mit der Erklärung, was der Turbulenzeffekt eigentlich ist:

“Die Turbulenz ist ein gefährliches Thema, das in den ihr gewidmeten wissenschaftlichen Tagungen oft Anlass zu heftigen Auseinandersetzungen gibt, da es sehr unterschiedliche Standpunkte vertritt, die alle ihre Komplexität und die Unfähigkeit, das Problem zu lösen, gemeinsam haben.” Marcel Lesieur, 1987

Turbulente Strömung versus laminare Strömung

Generell kann man sagen, dass es zwei Arten von Strömungen gibt: die laminare Strömung und die turbulente Strömung. In Bild 1 kann man die Unterschiede gut sehen, im laminaren Strömungsprofil fließt das Medium in Schichten, die sich nicht miteinander vermischen. Dies geschieht bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten, die Stromlinien sind parallel.

Steigt die Geschwindigkeit des Mediums an, kommt es bei einer bestimmten Geschwindigkeit zu einer plötzlichen Veränderung. Im Strömungsprofil treten Verwirbelungen auf, es kommt zu einem Austausch der Teilchen entlang aller drei Raumachsen. Die Stromlinien sind chaotisch, also nicht mehr linear. Dies wird als turbulente Strömung bezeichnet.

Die Bedeutung der Reynoldszahl (Re)

Theoretisch ist das Strömungsmuster von 4 Variablen abhängig:

vom Durchmesser des Rohres (charakteristische Länge)
von der Strömungsgeschwindigkeit
von der Dichte des Fluids
von der dynamischen Viskosität des Fluids

Diese vier Faktoren zusammen ergeben die so genannte Reynoldszahl (Re). Die Reynoldszahl ist eine wichtige Kennzahl, die beschreibt, ob Strömungsverhältnisse zu laminarer Strömung oder turbulenter Strömung führen. Sie zeigt das Verhältnis von Trägheitskräften zu Reibungskräften innerhalb des Fluids.
Generell kann gesagt werden, dass eine laminare Strömung bei einer niedrigen Reynoldszahl (≤ ca. 2300) und eine turbulente Strömung bei einer hohen Reynoldszahl (≥ ca. 3000) auftritt. Zwischen diesen beiden Zahlen (Re 2300-3000) befindet sich eine "Übergangsströmung", d.h. die Strömung kann laminar oder turbulent sein (die genannten Zahlen beziehen sich auf ein zylindrisches Rohr).

Wann tritt der Turbulenzeffekt auf?

Wie bereits erwähnt, ist der Turbulenzeffekt ein häufiger Effekt, der bei Anlagen mit (zu vielen) Einschränkungen, wie z.B. Ventilen oder Adaptern, in Kombination mit einer hohen Geschwindigkeit des verwendeten Fluids auftreten kann. In jeder Einschränkung wurde der Durchfluss unterbrochen und die Geschwindigkeit des Gases ändert sich (wie in Bild 2 dargestellt). Neben der Verwendung von Restriktionen ist auch die Rohrlänge zu berücksichtigen. Da es einige Zeit dauert, bis eine turbulente Strömung wieder laminar wird, ist es wichtig, die richtige Rohrlänge zu verwenden.

Eine turbulente Strömung sollten Sie am Eingang Ihres Durchflussmessgerätes unbedingt verhindern, weil sie die Messgenauigkeit stark beeinflusst. Eine laminare Strömung direkt vor dem Messgerät ist also deutlich besser geeignet. Das Instrument selbst, z.B. ein Durchflussregler mit einem Ventil hinter dem Messteil, kann allerdings auch selbst eine turbulente Strömung verursachen

Natürlich muss auch darauf hingewiesen werden, dass nicht alle Arten der Durchflussmesstechnik durch Turbulenz nachteilig beeinflusst werden. Durchflussmesser auf Coriolis-, CTA- (Constant Temperature Anemometry) oder Ultraschall-Prinzip sind unabhängig von Turbulenzen, bei thermischen Durchflussmessern mit Bypass-Prinzip ist der Einfluss allerdings nicht unerheblich.

Laminar Flow Element (LFE)

Warum sind thermische Durchflussmesser mit Bypass-Sensor empfindlich auf Turbulenzeffekte?

Geräte mit einem Bypass-Sensor arbeiten auf Basis eines Hauptstroms, der durch eine Drossel und einen kleinen Teil des Stroms, der durch den eigentlichen Sensor fließt. Das Verhältnis zwischen diesen beiden Strömungen wird durch den Druckabfall über dem Sensor und die Drosselung der laminaren Strömung bestimmt. Der Turbulenzeffekt stört dieses Verhältnis. Da die Geräte mit Bypass-Sensor häufig für sehr genaue Messungen eingesetzt werden, kann der Turbulenzeffekt einen großen Einfluss auf die Messergebnisse haben.

Benötigen Sie weitere Informationen über das Funktionsprinzip unserer Durchflussgeräte?

Unsere Funktionsprinzipien

Was können Sie tun, um die nachteiligen Auswirkungen einer turbulenten Strömung zu minimieren?

Bei Verwendung von thermischen Massendurchflussmessern mit Bypass-Sensor wird empfohlen, Folgendes zu tun:

1) Versuchen Sie, Einschränkungen in Ihrem Prozess zu vermeiden, wie z.B. Ventile, Adapter und Winkelkupplungen:

Montieren Sie den Durchflussmesser nicht direkt hinter einer Drossel, z.B. einem Ventil. Wenn dies jedoch nicht anders angeordnet werden kann, können Sie einen Turbulenzfilter zwischen Ventil und Durchflussmesser oder einen Durchflussmesser mit integriertem Turbulenzfilter verwenden.
Die Verwendung einer Winkelkupplung in der Nähe eines Durchflussmessers sollte so weit wie möglich eingeschränkt werden.

2) Begrenzen Sie die Geschwindigkeit Ihres Durchflusses, indem Sie die richtige Rohrlänge verwenden. Generell wird empfohlen, eine minimale Rohrlänge von:

10x der Rohrdurchmesser, am Eingang des Gerätes
4x der Rohrdurchmesser, am Ausgang des Gerätes (nur Durchflussmesser)
Bei Gasdurchflüssen > 100 l/min ist es üblich, mindestens ein 12mm oder ½" Rohr zu verwenden.

3) Verwenden Sie einen „Turbulenzfilter“ in Ihrem Strömungsprozess:

Der Turbulenzfilter filtert die Strömung, bevor sie den Sensor erreicht, und laminarisiert sie. Heutzutage haben Durchflussmesser oft einen solchen Filter im Durchflussmesser integriert (z.B. Bronkhorst EL-FLOW Serie) oder haben einen erweiterten Durchflussweg innerhalb des Durchflussmessers (z.B. Bronkhorst Low delta P Durchflussmesser).

Alles hängt von ihrem Prozess und ihrer Applikation ab!

Es hängt sehr stark von der Anwendung ab, was die Folgen von Turbulenzen sind. Zum Beispiel dürfen bei Halbleiterprozessen, insbesondere bei Beschichtungsprozessen wie der Layer Deposition (Schichtabscheidung), keinesfalls Turbulenzen auftreten. Ein stabiler Prozess ist hier unerlässlich, damit die Schichten sauber abgeschieden werden. Bei anderen Beschichtungsverfahren, wie z.B. der Flammsprühtechnik, ist der Einfluss von Turbulenzen durch den hohen Druck in der Strömung jedoch geringer. Es kommt also auch immer auf den Prozess und die Anwendung an, eine Pauschalaussage ist nicht machbar. Allerdings ist es grundsätzlich sinnvoll, für eine laminare Strömung zu sorgen, damit die Messgenauigkeit möglichst wenig beeinträchtigt wird.

Wenn Sie Hilfe bei der Installation Ihres Durchflussmessers benötigen, kontaktieren Sie uns oder rufen Sie uns an (02307/92512-0)!

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Strömungsverlauf in einem thermischen Massendurchflussmesser