Adaptive Strömungsbeeinflussung zur Wärmeübergangsoptimierung

Der Einsatz von Oberflächenstrukturen zur Steigerung der konvektiven Wärmeübertragung ist eine bewährte Methode um hohe Wärmestromdichten und hohe Arbeitsfluidtemperaturen unter Einhaltung materialspezifischer Maximaltemperaturen in Wärmetauschern und energietechnischen Anlagenkomponenten wie beispielsweise bei luftgekühlten Gasturbinenschaufeln, Solarreceivern  oder Hochtemperatur-Reaktorbauteilen zu ermöglichen. Je nach thermischer Betriebsart der Komponente führt eine verbesserte Wärmeübertragung zu einer beschleunigten Änderung der adiabaten Mischungstemperatur oder zu einer Reduktion der Komponentenmaterialtemperatur und Materialtemperaturgradienten. Es lässt sich somit die Wärmeübertragungsfläche reduzieren, der thermische Anlagenwirkungsgrad verbessern, die Komponentenlebensdauer verlängern oder die Lastflexibilität steigern. Rippenstrukturen zeichnen sich gegenüber anderen Oberflächenstrukturierungen durch eine sehr große Wärmeübertragungserhöhung aus, wodurch sich ihr Einsatz insbesondere für eine effektive Kühlung von thermisch hochbelasteten Komponentenwänden in energie- und wärmetechnischen Komponenten eignet.

Die Steigerung der konvektiven Wärmeübertragung basiert auf turbulenten und konvektiven Strömungsvorgängen innerhalb des oberflächennahen Strömungsbereichs. Je nach Rippenkonfiguration wird die oberflächennahe Strömungstopologie in unterschiedlicher Weise durch instationäre Wirbelablösevorgänge, freie Scherschichtströmungen im Nachlauf der Oberflächenstrukturen und Rezirkulationsströmungen bestimmt, sowie über das Gesamtströmungsfeld induzierte großskalige Sekundärströmungen. Im Rahmen unterschiedlicher Projekte wird die Forschung im Bereich des Designs von wandnahen Strukturen für eine hocheffiziente thermische Durchmischung in der Gruppe ASS vorangetrieben:

 

DFG- RU 2264/2-1: Einfluss angehobener V-förmiger Rippen auf die turbulenten Strömungs- und Temperaturfelder, die Wärmeübertragung und den Widerstandsbeiwert in Kühlkanälen

Der Einsatz von Rippen als Strukturierungselement von Wärmetauscheroberflächen führt zu einer erhöhten Wärmeübertragung zwischen Arbeitsfluid und Komponentenwand und ist eine bewährte Methode hohe Wärmestromdichten und hohe Arbeitsfluidtemperaturen unter Einhaltung komponentenspezifischer Maximaltemperaturen in thermisch hochbelasteten Bauteilen zu realisieren.

Das Forschungsvorhaben verfolgt das Ziel, den Einfluss Rippen-induzierter turbulenter Strömungsstrukturen auf die Wärmeübertragung und den Strömungswiderstand in beheizten Kanälen zu erforschen. Hierbei soll die turbulente Strömung und die Wärmeübertragung in einem quadratischen, einseitig mit angehobenen 60° V-förmigen Rippen strukturierten Kanal für variierende Geometrieparameter und Randbedingungen systematisch untersucht werden.

 

Fig. 1. Laser-Doppler-Anemometrie- und Hitzdrath-Geschwindigkeitsmessungen in einem mit angehobenen V-förmingen Rippen strukturierten Kanal.

 

Veröffentlichungen

  • Ruck, S., Arbeiter, F., Digel, L., Lorenzo Mercado, I., LDA-Messungen entlang V-förmiger angehobener Rippen in einem quadratischen Kanal, Laser Methods in Flow Measuring Technique (2022)
  • Ruck, S., Arbeiter, F., Brenneis, B., Wund, H., Effects of the streamwise extent of periodic computational domains on turbulent flow and heat transfer in rib-roughened cooling channels, Proceedings 14th International Conference on Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics, Wicklow, Ireland (2019).

 

Validierungsdatenbank für strukturierten Oberflächen in quadratischen Kanälen

Zur Auslegung von Oberflächenstrukturen und Rippen für den Einsatz in Wärmetauschern zur Steigerung der konvektiven Wärmeübertragung werden immer häufiger skalenauflösende Strömungssimulationen, hybride RANS/LES-Ansätze sowie RANS mit Turbulenzmodellen höherer Ordnung verwendet, die eine simultane Berechnung der turbulenten Geschwindigkeits- und Temperaturfelder ermöglichen sollen. Je nach numerischem Ansatz, Turbulenz- bzw. Kleinskalen-Modell, Rechenraumkonfiguration und Randbedingungen variieren die Ergebnisse derartiger Simulationsmethoden bei der Berechnung von Strömungen in der Nähe von Wänden mit rippenähnlichen Oberflächenstrukturen. Darüber zeigen vereinzelte Studien, dass Standard-Turbulenzmodelle auf Basis von Wirbelviskositätsmodellen und der Reynolds-Analogie nicht in der Lage sind, die turbulenten Geschwindigkeits- und Temperaturfelder hinreichend genau zu berechnen. Dementsprechend bedarf die Anwendung von Computational Fluid Dynamics (CFD) als Designwerkzeug für rippenähnliche Oberflächenstrukturen einer ausgiebigen Validierung sowie Anwendungsstrategien.

 

Fig. 2. LDA-Messungen und Druckverlustmessungen in der AEROLAS Anlage für die Validierung und Quantifizierung von Unsicherheiten von CFD-Anwendungen bei turbulenten Kanalströmungen.

 

Ein Datensatz von LDA-Messungen in einem einseitig berippten quadratischen Kanal bei Reynoldszahlen von 50 000 und 100 000 für Validierungszwecke ist hier zu finden.

 

Veröffentlichungen

  • Ruck, S., Arbeiter, F., Measurements of Turbulent Transport in a Square Channel With One Ribbed Wall, Journal of Fluids Engineering, 144(7) (2022) 071304. https://doi.org/10.1115/1.4053442
  • Ruck, S., Arbeiter, F., Petri, T., Laser-Doppler-Anemometrie-Messungen in einem quadratischen Kanal mit eng beieinanderliegenden Rippen an einer Wand, tm - Technisches Messen (2022)89(3) 158-167. https://doi.org/10.1515/teme-2021-0121
  • Ruck, S., Arbeiter, F., LDA measurements in a one-sided ribbed square channel at Reynolds numbers of 50,000 and 100,000, Experiments in Fluids 62 (2021) 232. https://doi.org/10.1007/s00348-021-03313-5
  • Ruck, S., Arbeiter, F., Petri, T., Schlindwein, G., LDA-Messungen in einem einseitig be-rippten Kanal bei Reynolds-Zahlen von Re ≥ 50 000, Laser Methods in Flow Measuring Technique, ISBN978-3-9816764-7-1, 20.1-20.10 (2021).