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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]

1

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)

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.

Air release (each liquid contains air)


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

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.

*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

4

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


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

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.6

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


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

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.

Baltzer, K., Automatisierte Erkennung von Gasblasen in Zweiphasenströmungen, Bachelor Thesis, 2014, Universität Konstanz

Radius [px]


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]

&,


&,

10

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]


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


Modelling of air release in hydraulic systems

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Thank you!


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