Einfluss angehobener V-förmiger Rippen auf die turbulenten Strömungs- und Temperaturfelder, die Wärmeübertragung und den Widerstandsbeiwert in Kühlkanälen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das vorliegende Projekt befasste sich mit der Steigerung der konvektiven Wärmeübertragung in quadratischen Kühlkanälen, bei denen eine Wand mit angehobenen V-förmigen Rippen strukturiert war. Hierfür wurden Versuche in einer speziell gefertigten Teststrecke mit angehobenen V-förmigen Rippen an einer Wand in einem Gaskreislauf durchgeführt. Eine systematische Erfassung der Geschwindigkeitsverteilungen und der Strömungsdynamik erfolgte anhand von Laser-Doppler-Anemometrie(LDA)- sowie von Hitzdraht-Anemometrie-Messungen und für die Ermittlung der Oberflächentemperaturverteilung der strukturierten Kanalwand wurden IR-Thermographie-Messungen eingesetzt. Die unterschiedlichen Rippenkonfigurationen wurden in einem Reynolds-Zahl-Bereich von 2,0 ⋅ 10^3 <=Rekr <=7,0 ⋅ 10^3 untersucht. Darüber hinaus wurde das thermische Strömungsfeld mit Hilfe von Large-Eddy-Simulationen numerisch berechnet. Die Ergebnisse liefern durch die breit angelegte messtechnische Erfassung sowie Verzahnung mit Skalen-auflösenden Large-Eddy-Simulationen tiefe Einblicke in die ablaufenden thermischen Strömungsvorgänge. Es zeigte sich, dass bei angehobenen V-förmigen Rippen ober- und unterhalb der Rippe infolge der Rippenform eine geometrieinduzierte Sekundärströmung aufritt. Diese hängt vom Wandabstand-Rippenhöhe-Verhältnis ab und es bilden sich je nach Wandabstand-Rippenhöhe-Verhältnis unterschiedliche Strömungskonfigurationen im Rippen-Zwischenbereich aus. Die Änderungen der geometrieinduzierten Sekundärströmung mit dem Wandabstand-Rippenhöhe-Verhältnis beeinflusst die räumliche Entwicklung der ablösenden Scherschichten und der assoziierten turbulenten Strömungsstrukturen maßgeblich. Für vergleichsweise kleine Wandabstand-Rippenhöhe-Verhältnisse ( c/kr <= 0,5) dringt der Rippen-induzierte turbulente Transport in Richtung der Wand als auch der abwärts gerichtete mittlere advektive Transport infolge der Sekundärströmung bis zum beheizten Kanalboden vor. Durch das Anheben der Rippen wird die konvektive Wärmeübertragung erhöht und die thermische Leistungsfähigkeit für eine effektive Kühlung gesteigert. Die maximale Wandoberflächentemperatur nimmt infolge einer strömungsbedingten Unterdrückung von Rezirkulationsbereichen und Staupunkten im Bereich der Rippenhinterseite stark ab und die Oberflächentemperatur wird homogenisiert. Bei großen Wandabstand-Rippenhöhe-Verhältnissen unterdrückt die aufwärts gerichtete vertikale mittlere Strömungsgeschwindigkeit im Rippennachlauf einen Fluidtransport bis an die Wand, wodurch eine Homogenisierung der Wandoberflächentemperatur eintritt, jedoch die konvektive Wärmeübertragung abnimmt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Laser-Doppler- und Hitzdraht-Anemometrie-Messungen entlang V-förmiger angehobener Rippen in einem quadratischen Kanal. tm - Technisches Messen, 90(5), 310-322.
Ruck, Sebastian; Arbeiter, Frederik & Digel, Leon
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LDA-Messungen entlang V-förmiger angehobener Rippen in einem quadratischen Kanal, 29. Fachtagung Experimentelle Strömungsmechanik, Ilmenau (2023)
Sebastian Ruck
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Numerical investigation of the convective heat transfer in a square channel rib-roughened by detached V-shaped ribs, 9th Thermal and Fluids Engineering Conference (TFEC), Corvallis (2024)
Sebastian Ruck
