Experimentelle Untersuchung von Strömung und Wärmeübergang in Kühlkanälen mit wirbelerzeugenden Elementen

Abstract

Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen des Teilprojekts WO-872/4-1, das in das von der DFG (Deutsche Forschungsgemeinschaft) geförderte Paketvorhaben "Experimentelle und Numerische Untersuchungen zum Wärmeübergang bei komplexen Innenströmungen mit wirbelerzeugenden Strukturen" eingegliedert war.

Die experimentellen Untersuchungen umfassen sowohl Wärmeübergangs- als auch Strömungsmessungen in einem Windkanal beim Einsatz von längswirbelerzeugenden Geometrien. Hierfür kamen tetraederförmige Vollkörper-Wirbelgeneratoren (VGs) zum Einsatz, die durch ihre erzeugten Wirbelstrukturen eine deutliche Steigerung des Wärmeübergangs bewirken.

Zur detaillierten Vermessung des Wärmeübergangs wurden Methoden angewandt, die auf thermochromatischen Flüssigkristallen (TLC) basieren. Die stationäre Methode arbeitet mit Heizfolien und setzt näherungsweise einen konstanten Wandwärmestrom voraus. Dagegen basiert die transiente Methode auf der Auswertung des zeitlichen Verlaufs der Wandtemperatur als Reaktion auf einen Temperatursprung in der Fluidströmung, und entspricht etwa einer konstanten Wandtemperatur. Beide Methoden ermöglichen es, verschiedene thermische Randbedingungen zu simulieren und liefern mit sehr hoher Genauigkeit flächendeckende Wärmeübergangsinformationen.

Neben der Charakterisierung der Anströmbedingungen mittels Hitzdrahtmesstechnik fand zur Vermessung des Strömungsfelds die Methode der Particle Image Velocimetry (PIV) Anwendung. Die vorherrschenden Geschwindigkeitsprofile sowie Turbulenzintensitäten wurden detailliert vermessen. Mittels Autokorrelation aus den zeitlich aufgelösten Signalen der Hitzdrahtmessung sowie der örtlich korrelierten Geschwindigkeitsdaten der PIV wurden die turbulenten Längenskalen identifiziert. Im hier eingesetzten Windkanal konnten Reynoldszahlen von 80.000 bis 600.000 und Turbulenzgrade von etwa 1 bis 8 % realisiert werden.

Untersucht wurde der Wärmeübergang hinter sowie auch auf Einzel-VGs mit variierenden Geometrieparametern und Anströmverhältnissen. Für einfache Reihen- und Parallelanordnungen von bis zu drei VGs wurde die Interaktion verschiedener Längswirbel verdeutlicht. Anhand zweier Feldanordnungen konnte die erreichbare Wärmeübergangsintensivierung mit dem resultierenden Druckverlust in Verbindung gebracht werden.

Mittels PIV wurden die Längswirbelstrukturen hinsichtlich ihrer Position, Rotation und Wirbelstärke vermessen und dem einhergehenden Wärmeübergang gegenübergestellt. Hierbei konnte ein klarer Zusammenhang der Wärmeübergangsverteilung mit den Trajektorien der Längswirbel gefunden werden. Der maximale Wärmeübergang ist stets in den Bereichen zu finden, in denen die induzierte Wirbelströmung eine zur Wand hin gerichtete Komponente aufweist und damit eine Verringerung der hydrodynamischen und thermischen Grenzschicht bewirkt.

Die sogenannte Methode der Stereo-PIV wurde eingesetzt, um alle drei Strömungskomponenten zu vermessen. Durch eine hohe Anzahl an Einzelaufnahmen (bis zu 3.000) konnten über statistische Analysen die Turbulenzgrößen bestimmt werden. An ausgewählten Schnittebenen durch einen Längswirbel wurden damit Turbulenzgrade, die kinetische Turbulenzenergie sowie auch die Reynoldsschen Haupt- und Schubspannungen bestimmt.

Die vorliegende Arbeit liefert detaillierte Daten hinsichtlich Strömung und Wärmeübergang für komplexe Wirbelströmungen und kann als Benchmark-Datensatz zur Validierung und Weiterentwicklung numerischer Methoden verwendet werden.

The present work based on the project WO-872/4-1 which was part of a joint research project "Experimental and Numerical Investigation on Heat Transfer for Complex Internal Flows with Vortex Generation" granted by the DFG (Deutsche Forschungsgemeinschaft).

The experimental investigations are dealing with heat transfer as well as flow measurements in a wind tunnel under application of elements producing longitudinal vortices. Therefore tetrahedral full body vortex generators (VGs) were used, which enhance the heat transfer due to their induced vortex structures.

Different methods based on thermochromic liquid crystals (TLC) were used for detailed heat transfer measurements. The steady state method using heater foils represents a good approximation of a constant wall heat flux. For the transient method the time dependent wall temperature distribution after a step change in the fluid temperature is analyzed. This method can be approximated with a boundary condition of constant wall temperature. Using both methods different boundary conditions can be simulated and full surface heat transfer measurements with high accuracy are possible.

In addition to hot wire anemometry for characterization of the inflow conditions, particle image velocimetry (PIV) was used for flow field investigations. Detailed measurements of velocity profiles and turbulence intensities were performed. For the hot wire signal with resolution on time an autocorrelation method and a special correlation for the velocity measured with PIV can be applied to evaluate the turbulent length scales. For the wind tunnel used for the present investigations Reynolds numbers of 80,000 to 600,000 and turbulence intensities of about 1 to 8 % can be reached.

The heat transfer behind as well as on the surface of single VGs has been investigated for different geometry parameters and flow conditions. Basic longitudinal and parallel arrangements of up to three VGs have shown the interaction of several longitudinal vortices. The investigation of two VG arrays pointed out the relation between the achievable heat transfer enhancement and the associated pressure loss.

The longitudinal vortex structures were measured by means of PIV with respect to position, vorticity and vortex strength. The flow data were compared to the related heat transfer distribution. In this comparison a clear relation between heat transfer enhancement and vortex trajectories can be found. The maximum heat transfer is always shifted towards regions where the vortex induces a flow directed towards the wall which reduces the hydrodynamic and thermal boundary layer.

The so called stereo-PIV was used to measure all three velocity components. With a large sample number (3,000) and a statistical analysis the turbulence has been evaluated. Turbulence intensity, kinetic turbulent energy as well as Reynolds stresses were calculated at two orthogonally orientated measurement planes crossing a longitudinal vortex.

The present work shows detailed data in respect to the flow field and the heat transfer for complex vortex flows. The presented data set can be used as a benchmark for validation purposes and for development of numerical methods.