DFG-WKS

DfG Paketvorhaben:

Experimentelle und Numerische Untersuchungen zum Wärmeübergang bei komplexen Innenströmungen mit wirbelerzeugenden Strukturen

Institut für Thermodynamik der Luft- und Raumfahrt, Universität Stuttgart

Institut für Thermodynamik, Technische Universität Braunschweig

Institut für Thermodynamik, Universität der Bundeswehr Hamburg

• Ergebnisse des WKS-Projektes

• Einführung

Turbulente Strömungen in komplexen Strukturen, hier bezogen auf interne Durchströmungen von Kanälen mit wirbelerzeugenden Elementen, sind ein Forschungsgebiet von hoher Relevanz, sowohl was die physikalischen Grundlagen angeht, als auch im Hinblick auf eine spätere technische Realisierung. Ein detailliertes Verständnis der physikalischen Verhältnisse bei Strömungen mit überlagerten Längswirbelstrukturen und deren theoretische Modellierung ist notwendig, um gesicherte Aussagen über entstehende Verluste treffen zu können, die den Gesamtverlust bzw. die Entropieproduktion eines Bauteils bestimmen und deren Verständnis Voraussetzung für eine Wirkungsgradoptimierung sind - dies sind Fragestellungen von hoher wirtschaftliche Bedeutung. Daher wurde und wird dieses Forschungsgebiet auch durch die DFG gefördert (siehe Vortices and Heat Transfer [1] sowie DFG Graduiertenkolleg technische Strömungen [2]) und ist nach wie vor Gegenstand aktueller wissenschaftlicher Untersuchungen [5].

• Zielsetzung

Die gekoppelte Betrachtung der Wärmeübertragung in wirbelbehafteten Strömungen ist von grundlegendem thermodynamischen Interesse und derzeit bei weitem noch nicht abschließend ausgeführt, da noch Fehler von über 100% bei der numerischen Bestimmung der lokalen Nusselt-Zahl auftreten können. Es bestehen noch keine verlässlichen Vorhersagemethoden für den lokalen Temperaturgradienten und damit dem Wärmeübergang an der Wand, was durch die Schließungsproblematik der Turbulenz und durch numerische Probleme begründet ist. Zielsetzung der Forschungsvorhaben ist es daher, den Wärmeübergang in komplexen, technischen Strömungsformen so zu beschreiben, dass die Vorhersagen für den Temperaturgradienten des Fluids an der Wand einer Struktur deutlich verbessert werden. Zu komplexen Strukturen gehören Wirbelgeneratoren in Kanalströmungen sowie deren Einsatz in Kompakt- oder Plattenwärmetauschern. In diesem Projekt sollen dazu lokale physikalische Effekte im wandnahen Bereich und turbulente Flüsse sowohl numerisch als auch experimentell aufgelöst werden. Sobald es gelingt, durch eine erweiterte Modellierung auch die lokale Vorhersagefähigkeit für den Wärmeübergang zu verbessern, können in einem nachfolgenden Entwicklungsschritt dann die so erarbeiteten Grundlagen bereits im Auslegungsstadium von Bauteilen eingesetzt werden.

• Organisation

Die Forschungen werden im Rahmen von einer Kooperation der drei Thermodynamik Institute der Universitäten Braunschweig, der Bundeswehr in Hamburg und Stuttgart betrieben. An diesen Instituten werden in dem gemeinsamen Forschungsvorhaben komplexe Geometrien im Hinblick auf Strömungswiderstand und lokale Nusselt-Zahl unter Berücksichtigung der dreidimensionalen Geometrie numerisch wie auch experimentell untersucht.

• Problemstellung

Bereits eine einzelne, isolierte Anordnung von Wirbelgeneratoren oder Turbulatoren verursacht hierbei eine dreidimensionale und hochgradig komplexe Strömungsform, siehe Abbildung 1:

Abbildung 1: Beeinflussung der Grenzschicht durch Wirbelkonfigurationen (nach [3])

Die Längswirbel einer induzierten Sekundärströmung verringern in der sogenannten 'Downwash'-Zone lokal die Dicke der thermischen Grenzschicht und verbessern damit den Wärmeübergang, in der 'Upwash'-Zone dagegen wird die Grenzschichtdicke erhöht. Ist die qualitative Beschreibung noch anschaulich, so ist die quantitative Beschreibung in turbulenter Strömung bereits für eine einzelne Elementanordnung sehr schwer. Es gilt die komplexe Strömungsform der dreidimensionalen turbulenten Hauptströmung mit der überlagerten induzierten Sekundärströmung auch in den wandnahen Bereichen adäquat aufzulösen. Die Strömung hat eine stark anisotrope Turbulenzverteilung geprägt durch Nicht-Gleichgewichtseffekte. Um in diesen Strömungskonfigurationen nicht nur die Wandschubspannung, sondern auch den lokalen Wärmeübergang mit verbesserter Genauigkeit vorhersagen zu können, sind Modifikationen an den bestehenden Modellen für den turbulenten Wärmestrom notwendig. Bisher wurde mit dem isotropen Konzept der turbulenten Prandtl-Zahl gearbeitet, jetzt werden Tensormodelle verwendet. Die Schwierigkeit der Auflösung von Anisotropien vervielfacht sich noch in Array-Anordnungen oder bei Einbettung in technische Hüllgeometrien, wie z.B. Kompakt- oder Platten-Wärmetauscher, die auch konstruktiven Randbedingungen genügen müssen. Hier ist von einer starken Wechselwirkung der einzelnen Wirbelkonfigurationen auszugehen. Um gezielte Verbesserungen an den Vorhersagemöglichkeiten zu entwickeln, muss mit experimentellen Methoden eine detaillierte Untersuchung sowohl von Wärmeübergang als auch vom Strömungsfeld erfolgen. Zur Erfassung der stark dreidimensionalen Strömungsfelder und des flächendeckenden Wärmeübergangs bei diesen komplexen Geometrien werden verschiedene Methoden (TLC, PIV, LDA, AAM, Thermographie) eingesetzt.

• Struktur des Paketantrages

Das ITLR in Stuttgart führt experimentelle und numerische Untersuchungen an Basis-Wirbelerzeugern durch. Dabei wird eine detaillierte Messung der Wärmeübergangszahl (TLC) an der Wand, sowie eine Vermessung des gesamten Strömungsfeldes (PIV) vorgenommen. Parallel und basierend auf diesen Experimenten werden 3D-Finite-Volumen Rechnungen mit Reynolds-gemittelten Gleichungen auf hybriden Gittern durchgeführt. Es werden neue Skalar-Fluss-Gleichungen für den Energietransport verwendet, die den Anisotropien des turbulenten Wärmestromes Rechnung tragen. Dazu müssen ebenfalls Turbulenzmodelle für den Impulstransport qualifiziert werden.

Das IfT in Braunschweig führt experimentelle Untersuchungen an engen Kanälen mit zylinderförmigen Einbauten durch. Hierzu werden Messungen des gesamten Geschwindigkeitsfeldes mit PIV vorgenommen sowie Messungen an vergrößerten Modellen mit modifizierten Kanalwänden (Louver) unter Zuhilfenahme der PIV- und LDA-Messtechnik. Ziel der Messungen an den vergrößerten Geometrien ist insbesondere die Untersuchung der durch Längswirbel erzeugten Sekundärströmungen

Das IfT in Hamburg entwickelt ein experimentelles Verfahren zur berührungslosen Messung von lokalen Wärmeübergangskoeffizienten auf Basis der Temperaturschwingungs-Thermographie. Dieses Messverfahren ergänzt die genannten Messmethoden sowie die Methode der thermosensitiven Flüssigkristalle für optisch nicht zugängliche Kanalströmungen sowie für turbulente Strömungen mit Flüssigkeiten. Durch periodisches Beheizen der wärmeübertragenden Wand und gleichzeitiges Beobachten der Oberflächentemperatur dieser Wand mittels der Thermographie kann der lokale Wärmeübergangskoeffizient auf der überströmten Rückseite dieser Wand bestimmt werden. Diese Messmethode soll auf strukturierte Plattenspalte angewendet werden, wie sie für Plattenwärmeübertrager typisch sind.

• Literatur

[1] M. Fiebig, N.K Mitra: Vortices and Heat Transfer. Results of a DFG-Supported Research Group. Vieweg 1998

[2] DFG Graduiertenkolleg: Modellierung und numerische Beschreibung technischer Strömungen. TU-Darmstadt. 1995 (Sprecher: J.Janicka)

[3] A.M. Jacobi, R.K. Shah: Heat Transfer Surface Enhancement through the Use of Longitudinal Vortices: A Review of Recent Progress. Experimental Thermal and Fluid Science 1995;11:295-309

[4] J.C.R Hunt, N.D. Sandham, J.C Vassilicos, B. E. Launder, P.A. Monkewitz ,G. F. Hewitt Developments in turbulence research: a review based on the 1999 Programme of the Isaac Newton Institute, Cambridge. J. Fluid Mechanics 2001, vol. 436, pp. 353-391

[5] G. Biswas: Enhancement of heat transfer using longitudinal vortices. Proc. 12th Int. Heat Transfer Conference, Grenoble 2002

[6] M. Henze, C. Dietz, S.O. Neumann, J. von Wolfersdorf, B. Weigand: Heat transfer enhancement from single vortex generators, Proceedings of GT2005, ASME Turbo Expo 2005: Power for Land, Sea and Air, June 6-9, 2005, Reno-Tahoe, Nevada, USA

[7] J. Bender, M. Buchholz, J. Köhler: Analysis of local pressure drop in plane flows, 6th World Conference on Experimental Heat Transfer, Fluid Mechanics, and Thermodynamics April 17-21, 2005, Matsushima, Miyagi, Japan