Einfluss der Prandt-Zahl auf den konvektiven Wärmeübergang von frei rotierenden Scheiben

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Stefan aus der Wiesche
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Technische Thermodynamik
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 217145824

• Erstellungsjahr: 2017

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Innerhalb des DFG-Förderprojektes wurde der konvektive Wärmeübergang von angeströmten frei rotierenden Scheiben unter Beachtung des Anstellwinkels und des Einflusses der Prandtl-Zahl bestimmt. Im Rahmen des Projektes wurden verschiedene Versuchsstände mit elektrisch beheizten Scheiben entwickelt und eingesetzt. Den Einfluss des Anstellwinkels auf den konvektiven Wärmeübergang wurde anhand einer rotierenden Scheibe, die in die Testsektion eines Windkanals gestellt wurde, untersucht. Anhand von Versuchen in einem Schleppkanal der Schiffsbautechnik konnten Messungen in Wasserströmungen erstmalig durchgeführt werden. Bei dieser Methode kam auch ein innovatives Sensorkonzept zum Einsatz. Der Einfluss der Prandtl-Zahl auf den laminaren und turbulenten Wärmeübergang im Falle einer frei rotierenden Scheibe in einem ruhenden Fluid wurde durch einen eigenen Teststand untersucht. Parallel zu den experimentellen Arbeiten wurden numerische und theoretische Analysen durchgeführt. Die wichtigsten neuen Ergebnisse der abgeschlossenen Untersuchung lassen sich wie folgt zusammenfassen: Erstmalig wurde experimentell die Gültigkeit der theoretischen Vorhersage der Ähnlichkeitstheorie für den laminaren Wärmeübergang einer frei rotierenden Scheibe mit hoher Genauigkeit für einen weiten Bereich von Prandtl-Zahlen bestätigt. Erstmalig wurden Messwerte des turbulenten Wärmeübergangs einer frei rotierenden Scheibe aufgenommen und eine Pr^1/3-Abhängigkeit der Nusselt-Zahl gefunden. Diese steht im Widerspruch zu bislang häufig angenommenen theoretischen Ansätzen der Literatur. Die Temperaturabhängigkeit der Stoffwerte erforderte eine große Aufmerksamkeit. Eine korrekte Berücksichtigung dieses Phänomens ist für Wasser und Glyzerin wesentlich. Hierfür bewährte sich ein von Gersten und Herwig angegebenes Verfahren sehr gut. Der Anstellwinkel der angeströmten rotierenden Scheibe bestimmt als Symmetrieparameter die Strömungsformen und damit auch den Wärmeübergang. Die komplexe Wechselwirkung von Anströmung, Anstellung und Rotation konnte theoretisch im Rahmen der Bifurkationstheorie geordnet werden. Es wurden verschiedene Klassen von dynamischen Übergängen in Abhängigkeit der Einflussparameter gefunden und mit dem Verhalten der Nusselt-Zahl qualitativ und quantitativ in Beziehung gesetzt. Die Vorhersagen der Theorie stehen in sehr guter Übereinstimmung mit den experimentellen Befunden. Auf Basis der Versuchsergebnisse und der theoretischen Modellvorstellungen konnten Wärmeübergangskorrelationen für den praktischen Gebrauch abgeleitet werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• The effect of the incidence angle on the flow over a rotating disk subjected to forced air streams. Proceedings ASME Fluids Engineering Summer Meeting FEDSM 2013, Incline Village, Nevada, paper FEDSM2013-16360
  Christian Helcig, Stefan aus der Wiesche
  
• Verfahren und Vorrichtung zur Konvektionstrocknung von Gütern. DE/26.09.13/ DEA102013016001
  Stefan aus der Wiesche, Christian Helcig, Stephan Uhkötter
  
• Convective Heat Transfer from a Free Rotating Disk Subjected to a Forced Crossflow. In: Proceedings ASME Turbo Expo 2014, Düsseldorf, Deutschland, Paper-ID: GT2014-26223
  Christian Helcig, Stefan aus der Wiesche
  
• Flow Over a Blunt Disk With Incidence: Location of Stagnation Point And Flow Separation. In: Proceedings ASME 2014 4th Joint US-European Fluids Engineering Summer Meeting, Chicago, Illinois, Paper-ID: FEDSM2014-21181
  Christian Helcig, Stephan Uhkötter, Stefan aus der Wiesche
  
• Internal symmetries, fundamental invariants and convective heat transfer from a rotating disk. In: Proceedings 15th International Heat Transfer Conference, Kyoto, 2014, Paper-ID: IHTC15-8483
  Christian Helcig, Stefan aus der Wiesche, Igor V. Shevchuk
  
• Convective Heat Transfer From Rotating Disks Subjected To Streams Of Air. Springer Briefs in Applied Sciences and Technology, Springer, New York, 2016 (ISBN 978-3-319-20167-5)
  Stefan aus der Wiesche, Christian Helcig
  
• Effect of Prandtl Number on Convective Heat Transfer in the Separated and Reattached Flow Region on a Blunt Flat Plate. In: Proceedings ASME Fluids Engineering Division Summer Meeting 2016, Washington, DC. Paper-ID: FEDSM2016-7580
  Christian Helcig, Stefan aus der Wiesche
  
• Effect of Prandtl Number on the Heat Transfer From a Rotating Disk: An Experimental Study. In: Proceedings ASME Heat Transfer Conference 2016, Washington, DC. Paper-ID: HT2016-7062
  Christian Helcig, Stefan aus der Wiesche
  
• Experimental Investigation of the Laminar Boundary Layer Flow on a Rotating Disk. In: Proceedings ASME Fluids Engineering Division Summer Meeting 2016, Washington, DC. Paper-ID: FEDSM2016- 7579
  Christian Helcig, Christian Teigeler, Stefan aus der Wiesche
  
• Prandtl Number Effect on the Laminar Convective Heat Transfer From a Rotating Disk. ASME Journal of Heat Transfer, 139 (2017)
  Christian Helcig, Stefan aus der Wiesche, Igor V. Shevchuk
  
• Heat Transfer in Rotating Flows. In: Francis A. Kulacki (Herausgeber): Handbook of Thermal Science and Engineering, Springer, New York (2018, ISBN 978-3-319-26694-7)
  Stefan aus der Wiesche