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Experimental investigation of a complex system of impinging jets using infrared thermography
(2022) Schweikert, Julia; Weigand, Bernhard
A central task in aviation technology is the development of efficient cooling techniques for thermal highly loaded engine components. For an optimal design of the cooling mechanisms, the heat transfer characteristics have to be known and need to be describable. As a cooling concept for low-pressure turbine casings, complex systems of impinging jets are used in order to reduce blade tip clearances during the flight mission. In order to improve established theoretical model approaches, this paper presents a novel method for the experimental investigation of such a complex system with 200 impinging jets using infrared thermography. The presented experimental method uses a thin electrically heated chrome-aluminum foil as target plate. Modeling the transient effects inside the foil, small structures and high gradients in the heat transfer coefficient can be reproduced with good accuracy. Experimental results of the local heat transfer characteristics are reported for jet Reynolds numbers of Re=2000…6000. The influence of the jet-to-jet distance and the jet Reynolds number on the Nusselt numbers are quantified with Nu∼(S/D)-0.47 and Nu∼Re0.7. The results indicate a dependency of the flow regime for the relatively low jet Reynolds numbers, as it is known from literature.
Open Access
Experimental validation of a numerical coupling environment applying FEM and CFD
(2023) Hartmann, Christopher; Schweikert, Julia; Cottier, François; Israel, Ute; Gier, Jochen; Wolfersdorf, Jens von
Experimental results for the transient heat transfer characteristics over a flat plate and over a plate with V-shaped ribs were compared to numerical results from a coupling environment applying FEM and CFD. In order to simulate transient effects in the cooling process of engine components during typical flight missions, the temperature and the velocity at the inlet of the channel were varied over time. The transient temperature distribution at the plate was measured using infrared thermography. Five different plate materials (perspex, PEEK, quartz, aluminum, and steel) were considered to investigate the influence of thermal conduction on the heat transfer between solid and fluid depending on the Biot number. The experimental results represent a reference database for a Python-based coupling environment applying CalculiX (FEM) and ANSYS CFX (CFD). The results were additionally compared to numerical results simulating the complete transient conjugated heat transfer with CFD. A good agreement between the numerical and the experimental results was achieved using different coupling sizes at different Biot numbers for the flat plate and the plate with V-shaped ribs.
Open Access
Modellierung des Wärmeübergangs komplexer Prallstrahlfelder an Turbinengehäusen
(2021) Schweikert, Julia; Weigand, Bernhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Die Auslegung effizienter Flugtriebwerke in allen Betriebspunkten ist eine der zentralen Aufgaben der Luftfahrttechnik. Ein wesentlicher Bestandteil liegt dabei in einer optimalen Kühlung thermisch hochbelasteter Triebwerkskomponenten über den gesamten Zyklus einer Flugmission. Für eine optimale Auslegung der eingesetzten Kühlmechanismen müssen die Wärmeübergangscharakteristika möglichst exakt bekannt sein. Unter diesem Aspekt befasst sich die vorliegende Arbeit mit dem Wärmeübergangsverhalten an Turbinengehäusen. Die Kühlung erfolgt in der realen Anwendung über den Einsatz komplexer Prallstrahlfelder, welche derzeit noch Lücken hinsichtlich der theoretischen Beschreibung aufweisen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Versuchsstand zur experimentellen Untersuchung der komplexen Prallstrahlfelder aufgebaut. Die Bestimmung des Wärmeübergangsverhaltens erfolgt dabei auf Basis der Infrarot-Thermografie. Neben einer experimentellen Betrachtung dienen numerische Simulationen der Untersuchung der Wärmeübergangs- und Strömungscharakteristika. Eine erfolgreiche Validierung des verwendeten numerischen Setups erfolgt anhand von Referenzdaten aus der Literatur. Das experimentelle Setup wird an einem vereinfachten Prallstrahlmodell verifiziert und den numerischen Verläufen gegenübergestellt. In einer zusätzlichen numerischen Studie wird der Einfluss der thermischen Randbedingung auf die Berechnung der Nusseltzahl an der Prallplatte quantifiziert. Mit den Daten dieser Studie wird eine Methode vorgestellt, den zum Teil deutlichen Einfluss der thermischen Randbedingung zu berücksichtigen. Neben der Entwicklung geeigneter Modelle zur Beschreibung des Wärmeübergangs in realen Anwendungen, bei welchen die thermischen Gegebenheiten nicht gänzlich bekannt sind, sind die Erkenntnisse essentiell für die Betrachtung des Wärmeübergangs an dem in dieser Arbeit betrachteten Modell eines komplexen Prallstrahlfeldes.