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Optical analysis of air release in a liquid flowOptical analysis of air release in a liquid flowbehind an orifice U Ib 1 d H A d F di 2
14th Workshop on Two-Phase Flow Predictions / Halle-Wittenberg
Uwe Iben1 and Hans-Arndt Freudigmann2
2 Hans-Arndt Freudigmann Robert Bosch GmbH, Center for Research and Advanced EngineeringRobert Bosch Campus 1, 71272Renningen, Germany
1 Dr.rer.nat. Dr.-Ing. Uwe Iben Robert Bosch GmbH, Center for Research and Advanced EngineeringRobert Bosch Campus 1, 71272 Renningen , Germany
Freudigmann | 09.12.2014 | © Robert Bosch GmbH 2014. Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.Uwe Iben | 04.09.2015 | © Robert Bosch GmbH 2014. Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion,Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.
71272Renningen, [email protected]
71272 Renningen , [email protected]
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Content
MotivationMotivationExperimental setupR ltResultsConclusion
Robert Bosch Campus Renningen
Uwe Iben | 04.09.2015 | © Robert Bosch GmbH 2014. Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion,Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.2
Robert Bosch Campus Renningen
Motivation
Hydraulic systems, cavitation and air releaseHydraulic systems, cavitation and air release
Cavitation in hydraulic systems can lead to:
e.g. fuel injection systems Basic components (simplified)
Notes:y y Erosion Vibration & noise Alteration of hydraulic liquids
Cavitation can not be avoided in general – it has to be controlled (focuson erosion)
The same is valid for air release Alteration of hydraulic liquids Chocked flow phenomena Efficiency losses vs. acoustic decoupling Air release (each liquid contains air)
Cavitation occurs on small time & spatial scales (ns, μs / nm, μm)
But: Air release occurs on larger time & spatial scales than cavitation (ms, s , h or days in some cases / μm mm)
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Air release (each liquid contains air)
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h or days in some cases / μm, mm)
Motivation
Air release in hydraulic systemsAir release in hydraulic systems Degassed air leads to bubbles in the liquid:
Change of liquid propertiesD it Density
Bulk modulus Speed of sound Viscosity
Physical properties
Viscosity
Change of hydraulic system properties Mass flow
Suction andcompression phase in a cylinder of a highpressure piston pump
Generated forces Eigen-frequencies Vibration & noise
Functional propertiespressure piston pump
Note: Compression -> hot bubbles -> Diesel lightening
Research objectives*:
Dissolvingof air
DegassingCavitation Modelling
0
zv
t
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*Optical measurements of gas bubbles in a flow of oil behind a micro orifice, Iben, U.,Wolf, F., Freudigmann,H.-A., Fröhlich, J., Heller, W.; To be published in: „Experiments in Fluids“, Springer
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Experiments
Experimental setupExperimental setup2 fluid tanksGear pumpPressure transducersTemperature transducerspMass flow meterStopcocksFlow channel 4 Optical accesses
pin=75 barPout=3.0 bar
Ø=0.2 mml=2 mm
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Experiments
Optical setup - shadowgraphyOptical setup shadowgraphy
40 μm
ObjectiveB.Halle, f=100 mm
CameraPCO 2000
2048 x 2048
Flash lightNanoLite
Flow Channel1 mm x 1 mm
0.4 mm
CCD
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Results
Choked flow - air releaseChoked flow air release
5
6
Inlet pressure: 50 bar & 75 barDistance throttle - optical access: 100 mmFluid: V1404*
4
2 ]
Chocked flow curve
Pin=50 bar P 75 bar
2
3
m2
[(g/s
)
pout=3.3 bar
pout=4.0 bar
pout=2.5 bar
pout=4.9 bar
in Pin=75 bar
1
2
75b t b 75 b h l
pout=2 3 bar
pout=3 5 bar
Ø= 8 mm
pout=4 5 bar
Bernoulli curve
030 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
Pressure drop (pin-pout ) [bar]
75bar, tube 75 bar, channel
50 bar, tube 50 bar, channel
2.3 bar 3.5 bar4.5 bar
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Results
Bubble recognition & characterizationBubble recognition & characterization
1. Image preparation
2. Segmentation of bubble images• Hough-Transformation spherical bubbles• Image binarization spherical and non-spherical bubbles• Image binarization spherical and non-spherical bubbles
3. Determination of bubble size• Determine intensity profile for round bubble images
Ir
I
• Determine bubble radius at half intensity level
4. Size correction• Determine optical scale
n
[-]Determine optical scale• Size correction using the contrast Ø
Inte
nsity
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Baltzer, K., Automatisierte Erkennung von Gasblasen in Zweiphasenströmungen, Bachelor Thesis, 2014, Universität Konstanz
Radius [px]
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Results
Degassing – resultsDegassing results
100 Distance: 100 mm Liquid is saturated with
10
edai
r[%
]
qair at atmospheric pressure :
1
ctio
nof
dega
sse
0,1Frac 50 bar, short
75 bar, short
50 bar, long
75 bar, long0,01
2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5Pressure backflow (pout), absolut [bar]
&,
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&,
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Results
Bubble size distribution – 100 imagesBubble size distribution 100 images Inlet pressure: 75 bar Inlet pressure: 50 bar
1E+6 1E+6
1E+4
1E+5
1E+6
bble
s
p_out= 2.53 bar
p_out= 3.10 bar
p out 3 87 bar1E+4
1E+5
1E+6
bble
s
p_out= 2.49 bar
p_out= 3.07 bar
p out 3 88 bar
1E+2
1E+3
Num
ber
of b
ub p_out= 3.87 bar
p_out= 4.46 bar
1E+2
1E+3
Num
ber
of b
ub p_out= 3.88 bar
p_out= 4.47 bar
1E+0
1E+1
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 5001E+0
1E+1
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500Bubble diameter [μm] Bubble diameter [μm]
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Conclusion
ConclusionConclusionPresent Work & Results for V1404 and stated conditions Gas bubbles in hydraulic systems affect system behavior
significantly Degassing of air is strongly linked to cavitation Degassing occurs only at choked flow conditions Degassing is very sensible to outlet pressure;
approx. exponential correlation Number and size of bubbles depend on in- and outlet p
pressure conditions
Future Work Variation of air content in liquid (air content in tank) Variation of orifice dimensions and geometry (D/L) Modelling of air release in hydraulic systems
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Modelling of air release in hydraulic systems
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Thank you!
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