Turbulente Sekundärströmungen über spannweitig heterogenen Wänden

• Antragstellerin: Professorin Dr.-Ing. Bettina Frohnapfel
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 423710075

Turbulent überströmte Wände können den Strömungswiderstand und die Wärmeübertragung zwischen Wand und Fluid durch ihre Oberflächeneigenschaften beeinflussen. Im Fall Oberflächen, die nur eine Heterogenität in spannweitiger Richtung aufweisen, also quer zur Hauptströmungsrichtung, treten turbulente Sekundärströmungen der zweiten Prandtl’schen Art auf, die das Strömungs- und Temperaturfeld stark modifizieren können. Diese Sekundärströmungen sind als Wirbel im mittleren Strömungsfeld sichtbar, die in Strömungsrichtung orientiert sind. Zusätzlich können über spannweitig heterogenen Wänden Kelvin-Helmholtz-Instabilitäten auftreten, welche zu spannweitig orientieren Wirbelstrukturen führen. Ziel des vorliegenden Vorschlags ist es, die Bedeutung dieser Strömungsphänomene für den kombinierten Impuls- und Wärmeübergang zu quantifizieren. Hierbei liegt der Fokus auf der Frage, wie es möglich ist, mit heterogenen Oberflächen eine stärke Zunahme der Wärmeübertragung als des Strömungswiederstandes zu realisieren. Dieses Verhältnis wird durch den Reynolds-Analogiefaktor ausgedrückt. Während raue Wände in der Regel den Strömungswiderstand stärker erhöhen als den Wärmeübergang, haben spannweitig heterogene Strukturen den Vorteil keinen zusätzlichen Druckwiderstand an einzelnen Rauheitselementen zu erzeugen. Damit stellen sie ideale Kandidaten für eine Erhöhung des Reynolds-Analogiefaktors da. In der spezifischen Literatur existieren Hinweise darauf, dass dies prinzipiell möglich ist, was auch durch erste Ergebnisse aus der ersten Förderphase unterstützt wird. Das vorliegende numerische Forschungsprojekt zielt darauf ab, diese Thematik auf Grundlage von direkten numerischen Simulationen detailliert zu untersuchen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Dr.-Ing. Davide Gatti; Dr.-Ing. Kay Schäfer