Laminare vs Turbulente Strömung bei Messungen: Was Sie wissen müssen

Bei der Messung von Durchfluss spielen zwei entscheidende Faktoren eine große Rolle: laminare Strömung und turbulente Strömung. Diese Phänomene beeinflussen maßgeblich das Verhalten von Durchflussmessgeräten und können die Genauigkeit der Durchflussmessungen beeinträchtigen. Lassen Sie uns die Unterschiede zwischen laminarer und turbulenter Strömung genauer betrachten, einige Tipps zur Minimierung der nachteiligen Auswirkungen von Turbulenzen erkunden und herausfinden, warum eine laminare Strömung für Durchflussmessgeräte wichtig ist.

Laminare Strömung verstehen

Laminare Strömung ist ein Zustand, in dem sich Flüssigkeitspartikel in ebenmäßigen, parallelen Schichten ohne Verwirbelungen bewegen. Diese geordnete Bewegung reduziert den Energieverlust, was sie in verschiedenen Anwendungen äußerst wünschenswert macht. Bei laminarer Strömung bleibt die Geschwindigkeit der Flüssigkeit relativ konstant, und jede Flüssigkeitsschicht behält ihren eigenen Pfad bei, ohne sich mit benachbarten Schichten zu vermischen. Diese Eigenschaft erzeugt klar definierte Strömungsprofile, die für konsistente und präzise Durchflussmessungen sorgen. Laminare Strömung tritt häufig bei niedrigen Durchflussraten und in Situationen auf, in denen der Fluss ungehindert ist, das heißt, es gibt nicht zu viele Hindernisse im Flussweg wie Ventile, Adapter oder Kupplungen.

Turbulente Strömung verstehen

Turbulente Strömungen entstehen, wenn der Fluss eines Mediums gestört wird, oft verursacht durch Hindernisse wie Ventile oder Adapter in Verbindung mit innerer Reibung durch hohe Fließgeschwindigkeiten. Dieses Phänomen, bekannt als der 'Turbulenzeffekt', führt zu chaotischen und nichtlinearen Strömungsmustern. Turbulente Strömungen sollten am Eingang des Durchflussmessinstruments vermieden werden, da sie die Genauigkeit der Durchflussmessung beeinträchtigen können. Es ist bevorzugt, unmittelbar vor dem Messinstrument eine laminare Strömung zu erzeugen. Allerdings kann das Messinstrument selbst, das als Durchflussregler verwendet wird und ein Ventil hinter dem Messgerät hat, wieder eine turbulente Strömung verursachen. Nicht bei allen Arten von Durchflussmessern ist dies ein Nachteil; Hauptsächlich thermische Durchflussmesser, die das Bypass-Prinzip verwenden, sind empfindlich gegenüber diesem Effekt, da sie das Verhältnis von Hauptstrom zu Bypass-Strom beeinflussen. Durchflussmesser, die auf dem Coriolis-Prinzip, Ultraschall-Durchflussmessern oder Messgeräten beruhen und solche, welche den Durchfluss thermisch 'inline' messen (auch als konstante Temperatur-Anemometrie bezeichnet), werden durch turbulente Strömung nicht beeinflusst.

Laminare vs. turbulente Strömung

Woher weiß man, ob der Strom laminar oder turbulent ist?
Im Allgemeinen kann gesagt werden, dass es zwei Arten von Strömungen gibt: laminare Strömung und turbulente Strömung. Wie auf die Abbildung Laminare vs. turbulente Strömung zu sehen ist, wurde die laminare Strömung durch ein Experiment mit Tinte in einem zylindrischen Rohr visualisiert. Die Tinte wurde in die Mitte eines Glasrohrs eingespritzt, durch das Wasser fließt. Wenn die Geschwindigkeit des Wassers noch gering ist, scheint die Tinte nicht mit dem Wasser zu vermischen, die Strömungslinien sind parallel; dies zeigt eine laminare Strömung an.

Wenn die Geschwindigkeit des Wassers zunimmt, tritt bei einer bestimmten Geschwindigkeit ein plötzlicher Wechsel auf. Die Strömungsschichten werden aufgebrochen, aus Wasser und Tinte wird eine homoge Mischung. Die Strömungslinien sind chaotisch, nicht mehr linear, was als turbulente Strömung bezeichnet wird.

Abbildung: Laminare vs. turbulente Strömung

Die Reynoldszahl: Der Schlüsselparameter

Welche Strömungsbedingungen führen zu laminarer oder turbulenter Strömung? Dies wird durch die Reynolds-Zahl (Re) bestimmt. Die Reynolds-Zahl kombiniert vier Variablen:

Durchmesser des Rohrs
Geschwindigkeit des Fluids
Dichte des Fluids
Dynamische Viskosität des Fluids

Eine niedrige Reynolds-Zahl (≤ ca. 2300) deutet auf laminare Strömung hin, während eine hohe Reynolds-Zahl (≥ ca. 3000) turbulente Strömung kennzeichnet. Für Werte zwischen 2300 und 3000 kann die Strömung Übergangscharakteristiken von laminarer und turbulenter Strömung aufweisen.

3 Tipps zur Minimierung der nachteiligen Auswirkungen turbulenter Strömung

Hier sind einige Tipps zur Minimierung der nachteiligen Auswirkungen turbulenter Strömung, wenn Sie thermische Massendurchflussmesser auf Basis des 'Bypass'-Sensorkonzepts verwenden:

3 Tipps zur Minimierung der nachteiligen Auswirkungen turbulenter Strömung

Hier sind einige Tipps zur Minimierung der nachteiligen Auswirkungen turbulenter Strömung, wenn Sie thermische Massendurchflussmesser auf Basis des 'Bypass'-Sensorkonzepts verwenden:

1) Optimieren der Prozessgeometrie:

Vermeiden Sie unnötige Hindernisse wie Ventile, Adapter und Ellbogenkupplungen in Ihrem Strömungsprozess, da diese Turbulenzen verursachen können. Falls sie erforderlich sind, erwägen Sie die Verwendung eines Turbulenzfilters zwischen solchen Komponenten und dem Durchflussmesser.

2) Begrenzen der Strömungsgeschwindigkeit:

Halten Sie die geeignete Rohrlänge ein, um die Strömungsgeschwindigkeit zu begrenzen. Streben Sie eine minimale Rohrlänge von mindestens 10 Mal dem Rohrdurchmesser am Einlass des Instruments und 4 Mal dem Rohrdurchmesser am Auslass (für Durchflussmesser) an. Die Verwendung der richtigen Rohrlänge hilft dabei, von turbulenter zu laminarer Strömung überzugehen.

3) Anwendung von Turbulenzfiltern:

Turbulenzfilter tragen dazu bei, die Strömung zu glätten und turbulente Strömung vor dem Erreichen des Sensors in laminare Strömung umzuwandeln. Einige Durchflussmesser sind mit integrierten Turbulenzfiltern ausgestattet, die eine effektive Lösung zur Bekämpfung der Turbulenzeffekte bieten.

Warum Sie einen laminaren Strom wollen

Hohe Genauigkeit: Laminare Strömung gewährleistet konstante und zuverlässige Durchflussmessungen, was zu einer höheren Messgenauigkeit führt. Dies ist besonders wichtig in kritischen Anwendungen wie der chemischen Verarbeitung und der pharmazeutischen Produktion.
Minimale Druckabfälle: Durch ihre gleichmäßige Strömungsmuster minimiert laminare Strömung den Druckabfall über Durchflussmesser, reduziert den Energieverbrauch und optimiert die Systemleistung.
Ideal für niedrige Durchflussraten: Laminare Strömung ist besonders wünschenswert in Anwendungen mit geringen Durchflussraten, wo die Aufrechterhaltung von Präzision in turbulenten Bedingungen herausfordernd sein kann.

Laminar Flow Element

Verlängerter Strömungsweg im Inneren eines Durchflussmessers

Alles hängt vom Prozess und der Anwendung ab

Es hängt stark von der Anwendung ab, welche Folgen turbulente Strömung hat. In der Halbleiterfertigung sind beispielsweise turbulente Strömungen bei Beschichtungsprozessen wie Schichtabscheidungen unbedingt zu vermeiden. Ein stabiler Prozess ist hier entscheidend. Bei anderen Beschichtungsprozessen wie Flammenspritztechniken wird der Einfluss von Turbulenzen aufgrund des hohen Drucks im Fluss geringer sein. Wenn Sie Beratung zur Auswahl des besten Durchflussmessgeräts für Ihre Anwendung benötigen, kontaktieren Sie es uns oder laden Sie unser E-Book herunter.