Thermofluiddynamik

Wesentliche Inhalte 

• Grundgleichungen der Thermofluiddynamik
• Kennzahlen der Thermofluiddynamik
• Statistische Modellierung und Auswertung thermischer Strömungen
• Thermische Grenzschichtgleichungen
• Geschwindigkeits- und Temperaturgesetze in Grenzschichten (als Grundlage konvektiver Wärmeübertragungsanalogien)
• Konvektive Wärmeübertragung bei Umströmung und Durchströmung
• Wärmeübertragungsanalogien (Prandtl-, von Kárman, Martinelli,…)
• Methoden der Wärmeübertragungssteigerung

Strategien und Methoden experimenteller und numerischer thermofluiddynamischer Untersuchungen im F&E Prozess

Literaturlisten und Angabe von Fachliteratur werden jeweils in den Vorlesungen genannt. Unterlagen zur Lehrveranstaltung werden online unter http://ilias.studium.kit.edu zu  Verfügung gestellt. Handout mit Übungsaufgaben für ausgewählte Themengebiete in den jeweiligen Vorlesungen.

Die Vorlesung vermittelt die Grundlagen laminarer und turbulenter Transportvorgänge (wie sie in energietechnischen Komponenten auftreten) in der Thermofluiddynamik für mathematische Modellierungen und experimentelle Untersuchungen. Nach Einführung thermofluiddynamischer Grundbegriffe und Grundgleichungen von Strömungen mit Wärmeübergang, werden die beschreibenden Kennzahlen für erzwungene und freie Konvektion abgeleitet sowie deren Einfluss auf thermische Strömungsvorgänge diskutiert. Die für eine mathematische Beschreibung von turbulenten Strömungen zur Verfügung stehenden statistischen Methoden sowie die hieraus entstehenden Transportgleichungen werden näher erläutert und Möglichkeiten der statistischen Analyse und Auswertung diskutiert.

Das Verhalten von Strömungen in Wandnähe spielt für die Beschreibung der Thermofluiddynamik in wärmetechnischen Anwendungen eine entscheidende Rolle. Hierfür werden aufbauend auf den thermischen Grenzschichtgleichungen, die Strömungs- und Temperaturwandgesetzte wie sie in „state-of-the-art“-Modellen von Berechnungswerkzeuge im Ingenieuralltag zum Einsatz kommen, vorgestellt und eingehend diskutiert; in der Praxis gängige Wirbelviskositätsmodelle sowie skalenauflösenden Ansätzen werden vorgestellt und die Besonderheiten beim Einsatz unterschiedlicher Wärmeträgermedien aufgezeigt. Mit Hilfe von Näherungsverfahren werden Analogien und Gebrauchsformeln zur ingenieurstechnischen Beschreibung des konvektiven Wärmeübergangs bei Umströmung und Durchströmung hergeleitet, wie sie auch heute noch bei der Auslegung von Wärmetauschern Anwendung finden. Darüber hinaus werden Design-Methoden zur Wärmeübertragungssteigerung aufgezeigt und anhand von Beispielen verdeutlicht.

Zuletzt werden Verfahren und Strategien numerischer und experimenteller Methoden der Thermofluiddynamik im F&E Prozess erklärt und an der Entwicklung von wärmetechnischen Komponenten verdeutlicht.

Präsenzzeit: 21 h

Selbststudium: 90 h

Das Lernziel der Vorlesung ist die Vermittlung grundlegender und fachspezifischer Zusammenhänge des turbulenten Impuls- und Energietransports wie sie in energietechnischen Komponenten auftreten. Die Basis bilden hierbei Transportvorgänge von turbulenten Strömungen und deren mathematische Formulierung (in energietechnischen Anlagen). Im Mittelpunkt steht die Beschreibung des konvektiven Wärmetransports bei wärme- und energietechnischen Komponenten. Ein Kernelement bildet dabei der Transfer von analytischen Modellen in „state-of-the-art“ Berechnungswerkzeuge, wie sie im Ingenieuralltag zum Einsatz kommen, sowie deren Validierung mit Hilfe experimenteller Messverfahren. Neben den übergeordneten Zielsetzungen sind die Studenten in der Lage, (a) Differentialgleichungen für thermofluiddynamische Prozesse aufzustellen und dies mit dimensionslosen Kennzahlen zu beschreiben, (b) eine entsprechende ingenieurtechnische Fragestellung in ein adäquates Modell zu überführen, (c) Analogien und Korrelationen für den konvektiven Wärmetransport zu entwickeln, (d) anwendungsanpasste Modelle zur Simulation für thermofluiddynamische Transportvorgänge auszuwählen und (e) geeignete skalierte Experimente und deren Instrumentierung zum Nachweis der erzielten Rechenergebnisse zu entwickeln. Ein letztes Augenmerk bilden Strategien zur problemangepassten Analyse und Bewertung numerischer und experimenteller Ergebnisse.