Entwicklung und Anwendung von Strömungsmessverfahren zur Untersuchung wandnaher Temperaturfelder

Abstract

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die nichtisotherme Vermischung zweier Fluidströme in einem T-Stück im Hinblick auf die Erfassung hochqualitativer Messdaten zur Validierung von strömungsmechanischen Simulationsmodellen untersucht. Dafür wurde die modular konzipierte Teststrecke der Fluid-Struktur-Interaktions-Versuchsanlage der Universität Stuttgart verwendet. Diese stellt definierte strömungsmechanische Randbedingung für das T-Stück sicher und ermöglicht den flexiblen Einbau eines Thermoelementmoduls sowie zweier Optikmodule stromaufwärts und stromabwärts des T-Stücks. Das Thermoelementmodul ist für die Vermessung des wandnahen Temperaturfeldes mittels Thermoelementen vorgesehen. An den Optikmodulen ist der Einsatz nichtinvasiver optischer Messtechnik realisierbar. Zur Vermessung der Einströmrandbedingungen des T-Stücks wurde die planare laseroptische Geschwindigkeitsmesstechnik (PIV) eingesetzt. Mit ihrer Hilfe konnten sowohl die Geschwindigkeitsprofile als auch die Geschwindigkeitsspektren der Strömungen in den Einlaufsträngen des T-Stücks dokumentiert werden. Der dabei auftretende Messfehler wurde unter Berücksichtigung der besonderen optischen Gegebenheiten der Optikmodule unter der Betriebsrandbedingungen der Versuchsanlage experimentell und analytisch bestimmt. Als zweiter Schritt der Charakterisierung der nichtisothermen Vermischung im T-Stück wurden Thermoelementmessungen durchgeführt und ausgewertet. Auf Basis der entsprechenden Messdaten konnten sieben Strömungsformen nachgewiesen werden, die anschließend in drei Strömungsformenkarten zusammengefasst wurden. Außerdem konnte gezeigt werden, dass die empirischen Gesetzmäßigkeiten, welche isotherme Vermischungsvorgänge beschreiben, ungeeignet für die Charakterisierung der nichtisothermen Vermischung sind. Darüber hinaus wurden signifikante Einflüsse der temperaturbedingten Auftriebskräfte sowohl auf die mittleren Temperaturen als auch auf die effektiven Temperaturschwankungen in der Mischungszone nachgewiesen. Die o.g. Größen wurden auf Basis einer Dimensionsanalyse in Abhängigkeit von den Systemrandbedingungen und den selektierten dimensionslosen Kennzahlen beschrieben. Hierbei konnten unter anderem die Einflüsse des Impulsstromverhältnisses und der Dichteunterschiede auf die Temperaturschwankungen im Fluid gezeigt werden. Um nichtinvasive Temperaturmessungen in der Mischungszone des T-Stücks zu ermöglichen, wurde das Nahwand-LED-induzierte-Fluoreszenz-Messverfahren (NWLED-IF-Messverfahren) entwickelt. Letzteres ist ein neues nichtinvasives Verfahren, das erstmals die zweidimensionale Erfassung von Strömungsstrukturen in einer millimeterdünnen wandparallelen Fluidschicht nichtisothermer Strömungen ermöglicht. Die Identifikation von Rhodamin B als ein geeigneter fluoreszierender Farbstoffs für das NWLED-IF-Verfahren bei den vorgegebenen Randbedingungen (Temperaturen bis zu 150 °C und Drücken bis zu 7,5 MPa) erfolgte anhand einer Reihe systematischer Untersuchungen. Der Einsatz des NWLED-IF-Messverfahrens lieferte detaillierte Informationen über das mittlere und das instationäre Temperaturfeld in der Mischungszone. Anhand der gewonnenen Messdaten wurde nachgewiesen, dass die Temperaturschwankungsamplituden in der Mischungszone im direkten Zusammenhang mit den lokalen Temperaturgradienten stehen. Überdies wurden in der wandnahen Zone langgestreckte nichtisotherme Strukturen identifiziert und deren Temperatur, Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit für unterschiedliche Randbedingungen erfasst.

As part of this work the nonisothermal mixing of two fluid flows in a T-junction was investigated with the objective of gathering high-quality data for the validation of fluid-mechanical simulation models. For this purpose the modular fluid-mechanical test setup of the fluid-structure-interaction facility of the University of Stuttgart was used. It guarantees well-defined fluid-mechanical boundary conditions and facilitates the flexible integration of a thermocouple module and two optical modules upstream and downstream of the T-junction. The thermocouple module was built for the investigation of the near-wall temperature field with the help of thermocouples. The optical modules facilitate the application of noninvasive measurement techniques by providing optical access to the fluid. For the determination of inflow conditions of the T-junction planar particle image velocimetry was applied. With its help velocity profiles as well as velocity spectra were recorded in the inlets. The associated measurement error for the specific optical conditions in the optical modules and for operational conditions was quantified experimentally and analytically. As a second step in the characterisation of nonisothermal mixing in the T-junction, thermocouple measurements were conducted and analysed. The resulting data proved the existence of seven flow patterns which were mapped in three flow charts. It was shown that empirical laws describing the isothermal mixing are not suitable to cover nonisothermal mixing. Moreover, it was demonstrated that temperature-dependent buoyancy in the mixing zone significantly influences the mean temperature field as well as the temperature fluctuations. The latter were described with the help of the system parameters and dimensionless parameters which resulted from a dimensional analysis. Among others, the dependencies of the temperature fluctuation on the ratio of impulse fluxes and density differences was demonstrated. With the aim to facilitate noninvasive temperature measurements in the mixing zone of the T-junction, the near-wall LED-induced fluorescence method (NWLED-IF-method) has been developed. The latter is a new noninvasive measurement technique which enables the two-dimensional detection of flow structures in a millimetre-thick layer of fluid adjacent to the wall in nonisothermal flows. Systematic investigations led to the identification of rhodamine B as a fluorescent dye utilizable for the NWLED-IF-method under the selected system conditions (temperature up to 423 K and pressures up to 7.5 MPa). Its application provided detailed information about the mean and the instationary temperature field in the mixing zone of the T-junction. Based on this data, the amplitudes of the temperature fluctuations in the mixing zone were found to be directly linked to the local temperature gradients. Moreover, elongated nonisothermal flow structures situated close to the wall were identified. Their temperature, direction of movement and velocity were captured for various boundary conditions.