Einfluss angehobener V-förmiger Rippen auf die turbulenten Strömungs- und Temperaturfelder, die Wärmeübertragung und den Widerstandsbeiwert in Kühlkanälen

• Antragsteller: Dr.-Ing. Sebastian Ruck
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 421417171

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.Der Stand des Wissens, die existierende Literatur und eigene Untersuchungen zeigen, dass der Einsatz von 60° V-Rippen zu einer effizienten Wärmeübertragungssteigerung führt. Dies beruht auf der Entwicklung von ausgeprägten Sekundärströmungen, die infolge erhöhter mittlerer Vertikalgeschwindigkeiten, eine Zunahme der konvektiven und turbulenten Durchmischung bewirken. Jedoch kommt es bei anliegenden Rippen, selbst bei unterschiedlichsten Rippenkonfigurationen und -formen zur Ausbildung von Staupunkten im Bereich der Kontenpunkte bzw. Rezirkulationsströmungen, wobei der verminderte Impuls- und Energietransport das Auftreten von Wärmeübertragungsminima begünstigt und im ungünstigsten Fall zur Ausbildung von „Hot-Spot“-Bereichen führen kann. Durch das Anheben von Rippenelementen lassen sich Staupunktströmungen oberhalb der strukturierten Oberfläche vermindern und somit die Ausbildung lokaler Wärmeübertragungsminima aufgrund von reduziertem Impuls- und Energietransport verhindern. Es wird erwartet, dass durch die Kombination dieser beiden Eigenschaften, d.h. dass durch den Einsatz von angehobenen 60° V-Rippen die Strömungsstrukturen und dementsprechend auch die Wärmeübertragung derart beeinflusst werden kann, dass eine weitere Verbesserung der thermischen Durchmischung, eine Homogenisierung der Oberflächen- und Materialtemperaturen sowie eine Steigerung der lokalen und globalen Wärmeübertragung gegenüber den bisher eingesetzten anliegenden Rippen erzielt wird.Die zu erwartenden Ergebnisse liefern durch die breit angelegte messtechnische Erfassung mittels LDA-Messtechnik, Thermoelementen, Drucksensoren und IR-Thermographie sowie die Verzahnung mit Skalen-auflösenden Large-Eddy-Simulationen einen entscheidenden Beitrag zur Grundlagenforschung auf dem Gebiet der Wärmeübertragung in turbulenten, thermischen wandnahen Strömungen. Darüber hinaus ist davon auszugehen, dass die Ergebnisse des vorgeschlagenen Projekts neue Innovationen im Bereich der thermohydraulischen Optimierung von Wärmetauscher-Komponenten anstoßen können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen