Browsing by Author "Henze, Marc"

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Experimentelle Untersuchung von Strömung und Wärmeübergang in Kühlkanälen mit wirbelerzeugenden Elementen
(2007) Henze, Marc; von Wolfersdorf, Jens (Prof. Dr.-Ing.)
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.