Nedan beskrivs hur flödet strömmar runt olika strukturer, hur ljud och vibrationer uppstår i relation till flöden samt kopplingen mellan kavitation och ljud.
3.2.1 Strömningsmekanik
Strömningsmekanik eller hydrodynamik är den vetenskap som behandlar vätskor och fluiders rörelse samt hur fluider påverkar andra fluider eller solider (Blake, 1986). Det finns olika huvudtyper av hydrodynamik och en av dessa är turbulent strömning. Turbulent strömning innebär att varje vätskepartikel rör sig stokastiskt i oregelbundna banor och i olika riktningar, vilket sker vid relativt höga hastigheter, stora friktionskrafter och låg viskositet. Vid turbulent flöde bildas virvlar i olika storlekar som integrerar med varandra. Efterhand bryts virvlarna ned och bildar flera mindre virvlar, som i sin tur upplöses tills de blir så små att deras rörelseenergi dör ut på grund av friktionen. Det kan därför vara fördelaktigt att minska turbulensen kring en struktur eftersom den turbulenta strömningen ökar friktionsmotståndet.
Ett sätt att göra luft- eller vattenmotståndet så litet som möjligt är att skapa en strömlinjeform, eftersom en strömlinjeformad kropp minskas motståndet (Blake, 1986). Motståndet beror på tryckfördelningen på strukturens yta som i sin tur beror av storleken och formen på strukturen, därför benämns detta ofta som formmotstånd. Formmotstånd är en följd av turbulens som orsakas vid separation av en fluid som strömmar över en struktur. Med separation syftar man på förändringen från en fluid som flödar jämt längst en struktur tills det läge där fluiden plötsligt bryter av från strukturens yta. Detta skapar ett kaotiskt flöde.
Separationen resulterar i fickor av lågt och högt tryck som lämnar en ström bakom strukturen, som i sin tur motverkar rörelse framåt. För att visualisera hur formmotstånd förekommer kan flödet runt olika strukturer betraktas, se Figur 11. Längst ner i bilden visas ett laminärt flöde, alltså ett flöde i skikt runt strukturen, där flödet är nära ytan. I strukturen ovanför är flödet laminärt under den första halvan av strukturen och sedan börjar flödet att separera från ytan och bilda många små kaotiska virvelströmmar. De två strukturerna överst har ett ännu större område av separerat flöde och det skapas därav mer virvelströmmar och mer formmotstånd.
Strömlinjeformning minskar alltså formmotstånd genom att separationen mellan fluiden och strukturen minskas.
Figur 11. Visualisering av flödet runt olika strukturer.
3.2.2 Flödesinducerade ljud och vibrationer
Flödesinducerat ljud är ofta komplext. Det involverar kunskap om hydromekanik, vibrationer och akustik (Blake, 1986). Ostadiga flödesrörelser och turbulens genereras i nästan alla maskiner som involverar flytande medium. Ljud kan uppstå när en fluid rör sig relativt en annan fluid eller yta eftersom det skapas en instabilitet i flödet, till exempel turbulens. Det är själva bildandet av virvlar i flödet som skapar ljudet, då energin omvandlas från hydrodynamisk effekt till akustisk effekt. Såvida kavitation inte inträffar är de akustiska effekterna av interaktionen mellan en kropp och ett strömmande medium tvåfaldigt. För det första kan en struktur förändra ljudfältet vid turbulenta flöden genom att agera som en spridningsyta som ljudet kan studsa emot, därmed kan ljudet uppfattas som högre. För det andra, kan strukturen i sig ändra flödet genom att skapa ytterligare flödesstörningar i form av virvelbildning, alltså en lokal rotation eller spiralbildning i fluiden.
Ljud i ett flöde kan även orsakas på andra sätt, bland annat då en fluid befinner sig i kontakt med en struktur och en varierande kraft appliceras på en eller flera komponenter av strukturen (Blake, 1986). Som svar på detta yttryck kan ljud uppstå eftersom strukturen vibrerar med en våglängd. Ljudtryck är därför utsöndrat från turbulens i sig, fördelningen av krafter på ytan och rörelsen av strukturen. Förenklat kan det förklaras som att ljud produceras när virvellinjer sträcks ut eller accelererar i förhållande till ett akustiskt medium. Ljudtryck från alla sådana källor är beroende av amplituden och fasen för varje ingående part.
3.2.3 Kavitation
Kavitation är skapandet av ångbubblor i områden där det statiska trycket lokalt sjunker till vätske-ångtryck på grund av hög strömningshastighet (Söderlund & André, 2015). När trycket vid inloppet på pumpen sjunker under ångtrycket för den pumpade vätskan börjar vattnet att koka, vilket leder till att ångbubblor bildas. Dessa bubblor rör sig med vätskan genom pumphjulet till ett högre tryckområde (Figur 12). När trycket i pumpen sedan stiger kommer ångbubblorna att kollapsa genom implosion, vilket ger ett mycket högt, men också mycket lokalt tryck vid bubblans kärna, upp till 10 000 bar. Detta tryck frigör chockvågor som kan ge upphov till ljud, vibrationer och skador på materialet i pumpen. Omfattningen av kavitation beror på hur lågt trycket är i pumpen. Kavitation uppträder först vid den punkt i pumpen där trycket är lägst, vilket oftast är vid bladkanten vid pumphjulets inlopp (Grundfos Pumps Corporation, 2008). Men det kan även uppträda i andra områden där tryckskillnader uppstår.
Net Positive Suction Head, NPSH- värdet för en pump är det minsta absoluta totaltryck som krävs vid sugsidan av pumpen för att undvika kavitation (Grundfos Pumps Corporation, 2008). NPSH-värdet beror på flödet, när flödet ökar, ökar även NPSH-värdet. Genom att beräkna NPHS kan man bekräfta eller utesluta att kavitation uppstår.
Åtgärder vid kavitation minskas eller förhindras genom att till exempel öka systemtrycket (slutna system), förkorta sugledningen att minska friktionsförlusten eller sänka vätsketemperaturen för att minska ångtryck (Grundfos Pumps Corporation, 2008).
Figur 12. Ångbubblornas rörelse i pumphjulet.
3.3 Försöksplanering
Först förklaras experiment ytligt för att sedan beskriva statistisk försöksplanering mer ingående. Metoden för faktorförsök, som är en del av den försöksplaneringen presenteras även.
3.3.1 Experiment
Inom ingenjörsvetenskap spelar experiment en stor roll när en produkt eller process ska utvecklas, oftast då en viss del i systemet ska utvärderas (Montgomery, 2001). Experiment är även betydelsefulla för att tillgodogöra sig kunskap om en process eller en produkt (Vanhatalo, 2009). Experiment definieras som ett test eller en serie av tester där genomtänkta ingångsparametrar eller faktorer variers för att undersöka hur dessa påverkar en process eller ett systems utgångsparametrar (Montgomery, 2001; Olausson, 1992). Vid ett experiment undersöks vilken effekt de kontrollerbara parametrarna, Xp, har på utgångsparametrarna, Yr. Dock är inte dessa de enda parametrarna som måste tas hänsyn till vid ett experiment, även de okontrollerbara eller störande parametrarna, Zq, måste beaktas (Vanhatalo, 2009), se Figur 13. De okontrollerbara parametrarna kan dock styras vid ett experiment (Montgomery, 2001;
Holman, 2012). Detta beskrivs mer ingående i senare kapitel. Det finns många olika metoder för att utföra vetenskapliga tester, dock har alla gemensamt att kvalitén på resultatet av testet beror till stor del på hur väl testet planerats innan det påbörjas.
Figur 13. Ingångsparametrar och utgångsparametrar i experimentprocessen.
3.3.2 Statistisk försöksplanering
Försöksplanering är ett samlingsnamn för ett stort antal metoder. Dessa är till för att effektivisera försök genom att maximera informationsutbytet och minimera resurserna utan inverkan på resultatets statistiska reliabilitet (Vanhatalo, 2009). Som nämnts tidigare är planeringen en av de viktigaste delarna då ett experiment ska utföras (Montgomery, 2001;
Olausson, 1992). Nedan beskrivs en arbetsgång för statistisk försöksplanering där alla väsentliga steg täcks in för att inget viktigt ska förbises.
1. Formulera problemet och definiera målet med försöket. Först bör problemet