Untersuchung der physikalischen Mechanismen der Erhöhung des Wärmeüberganges auf Dellenoberflächen

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Egon Hassel
• Subject Area: Technical Thermodynamics
• Term: from 2007 to 2012
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 39665799

• Final Report Year: 2013

Final Report Abstract

Ziel des vorliegenden Forschungsvorhabens war die numerische und experimentelle Erforschung Dellenoberflächen als ein alternative Kühlmethode, durch welche ein optimales Verhältnis von Wärmeübertragung und Druckverlust erhalten werden kann. Der physikalische Grund für die Intensivierung der Wärmeübertragung ist die Entstehung von speziell konzentrierten Wirbeln in Dellen, die den Wärmeübergang durch erzwungene Konvektionsbewegungen deutlich verstärken. Im Rahmen des Forschungsprojektes gelang es, die komplexen Prozesse der konvektiven Wärmeübertragung an spezifisch verformten Dellenoberflächen in Abhängigkeit von der Dellengeometrie und den Strömungsbedingungen zu erforschen. Die detaillierte Untersuchung der effektiven Wirbelstrukturen wurde in enger Kooperation mit den Gruppen der TU Hamburg-Harburg (Prof. Herwig) und der TU Darmstadt (Prof. Stephan) durchgeführt. Folgend der Arbeitsteilung zwischen den Partnern, wurde der experimentelle Teil zur Untersuchung der instationären Vorgänge innerhalb der Dellen nur den strömungsmechanischen Vorgängen an der Universität Rostock gewidmet. Instationäre Temperaturmessungen erfolgten durch die Arbeitsgruppe der TU Darmstadt wobei Prof. Herwig (TU Hamburg Harburg) die Dellenwärmeübertrager auf Basis der Entropieproduktion bewertet hat. Im ersten Projetabschnitt wurden die Wirbelmechanismen und der Wärmeübergang anhand einer einzelnen Delle evaluiert. Auf Basis der LES (Large Eddy Simulation) und instationären Druck- und Geschwindigkeitsmessungen im installierten Versuchskanal konnte die Ausbildung von asymmetrischen Wirbelmonostrukturen in vollkommen symmetrischen Dellen bestätigt werden. Im Gegensatz zum bisherigen Wissenstand, wurde mit Hilfe der zeitlichen Analyse von numerischen und experimentellen Daten erstmals ein langperiodisches Schwanken der asymmetrischen Strömungsstruktur von ±45◦ zur Anströmung festgestellt. Durch diese spezielle Wirbelformation wird das aufgeheizte Fluid ständig aus der Delle transportiert, wobei Schwankungsbewegungen in Querrichtung diesen Prozess fördern. Die POD (Proper Orthogonal Decomposition) Analyse der LES Daten deckt zusätzlich erstmals tornadoähnliche energiereiche Strukturen in den Dellen auf. Aufgrund der asymmetrischen Wirbelstruktur und deren Schwankung ergibt sich eine integrale Erhöhung des Wärmeübergangs von N u/N u0 = 1.67 in einer vollentwickelten Temperaturgrenzschicht im Vergleich zum ebenen Kanal. Ausgehend von den Untersuchungen der einzelnen Delle wurden die numerischen und experimentellen Methoden auf Dellenpakete übertragen. Die Ausbildung der vorteilhafen asymmetrischen Strukturen wie in einer einzelnen Delle konnte mittels Experiment und Simulation für Dellenpakete nicht bestätigt werden. Die bereits mehrfach publizierte und weit verbreitete Annahme, dass die Ausbilung von asymmetrischen Strukturen in Oberflächendellen wesentlich für die hohe Effizienz der Wärmeübertrager verantwortlich ist, wurde widerlegt. Vielmehr prägen die Strömungsstrukturen, welche in der Scherschicht zwischen Haupt- und Rückströmung in den Dellen entstehen, das Strömungsbild in den Dellen. Auf Basis parametrischer Untersuchungen ist ein optimales Verhältnis von Dellentiefe zu Dellendurchmesser von t/d = 0.26 gefunden worden, durch welche sich eine 200%ige Erhöhung des Wärmeübergangs von N u/N uo = 2.01 bei einem Gesamtdruckverlust von Cf /Cf 0 = 3.01 im Vergleich zum ebenen Kanal ergab. Zur Vermeidung einer parametrischen Optimierung der strukturierten Oberfläche wurde ein genetischer Algorithmus in Verbindung mit einer hocheffzienten Vernetzungsmethode (Gitterdiffusionsgleichung) umgesetzt. Die frei verformbare Oberfläche ergab im Optimierungsprozess eine Dellen-Hügel Kontur. Mit Einsatz der optimierten Oberfläche konnte der Wärmeübergang im Vergleich zur Standarddellenoberfläche nochmals um 2% gesteigert und der Druckverlust um erhebliche 21.4% verringert werden konnte. Die Ergebnisse wurden experimentell bestätigt. Das Ergebnis der Optimierung zeigt, dass noch ein erhebliches Potenzial hinsichtlich Energieeffizienz in den aktuellen Wärmeübertragern vorhanden ist.

Publications

• Vortex-jet mechanism in a channel with spherical dimples for heat transfer augmentation, 2nd international Conference on Jets, Wakes and Seperated Flows, Berlin, Germany, 2008
  Turnow J., Kornev N., Isaev S., Hassel E.
  
• Vortex-jet mechanism in a channel with spherical dimples for heat transfer augmentation, The Sixth International Symposium on Turbulence and Shear Flow Phenomena TSFP6, Seoul, Korea, 2009
  Turnow J., Kornev N., Isaev S., Hassel E.
  
• Fluid Mechanics and heat transfer in a channel with spherical and oval dimples, Notes on numerical fluid mechanics and multidisciplinary design, Springer Verlag, Vol.110, p. 231—237 ,2010
  Kornev N., Turnow J., Hassel E., Isaev S., and Wurm F.
  
• Influence of the Reynolds number and the spherical dimple depth on turbulent heat transfer and hydraulic loss in a narrow channel, Intl. Journal of Heat and Mass Transfer, vol.53, issues 1-3, 178—197, 2010
  Isaev S.A., Kornev N.V., Leontiev A.I., Hassel E.
  
• LES of turbulent flow on dimpled surface and genetic optimization of heat transfer surfaces, Fifth OpenFOAM Workshop, Gothenburg, Schweden, 2010
  Turnow J., Kornev N., Hassel E.
  
• Vortex structures in near wall flow over a spherical dimple, International Workshop on Near-Wall Reactive Flows, Darmstadt, 2010
  Turnow J., Kornev N., Voskoboinick V., Hassel E.
  
• Flow structure and heat transfer enhancement on dimpled surfaces, The seventh International Symposium on Turbulence and Shear Flow Phenomena TSFP7, Ottawa, Canada, 2011
  Turnow J., Zhdanov V., Kornev N., Hassel E., Voskoboinick V.
  
• Vortex mechanism of heat transfer enhancement in a channel with spherical and oval dimples, Heat and Mass Transfer, Vol. 47(3), 301-313, 2011
  Turnow J., Kornev N., Isaev S., Hassel E.
  
• Flow structures and heat transfer on dimpled surfaces, Int. Journal of Heat and Fluid Flow, Vol. 35, 168-175, 2012
  Turnow J., Kornev N., Hassel E., Zhdanov V.
  
• Study of near wall coherent flow structures on dimpled surfaces using unsteady pressure measurements, Flow, Turbulence and Combustion, 2012
  Voskoboinick V., Kornev N., Turnow J.
  
• Vortex structures, heat transfer and surface optimization of dimpled surfaces, 7th International Symposium on Turbulence, Heat and Mass Transfer, Palermo, Italy, September 24 - 27, 2012
  Turnow J., Kornev N., Isaev S., Hassel E.