Forschung im HLRN-Verbund 2011

132Wärmeübergang auf DellenoberflächenUntersuchung der physikalischen Mechanismen zur Erhöhung desWärmeüberganges auf DellenoberflächenJ. Turnow, N. Kornev, E. Hassel, Lehrstuhl fürTechnische Thermodynamik, Fakultät für Maschinenbauund Schiffstechnik, Universität RostockKurzgefasst• Die Energieeffizienz spielt derzeit eine fundamentaleRolle in vielen Bereichen der Wissenschaftund Industrie.• Der Einsatz von Dellenoberflächen in z.B. Gasturbinenzeigt eine hohe Effizienz bzgl. derWärmeabfuhr und des sich einstellenden Druckabfallsinnerhalb von Wärmeübertragern.• Es stellt sich eine wesentliche Intensivierungdes Wärmeüberganges mit Dellen im Vergleichzum glatten Oberflächen sowie ein geringfügigerhöhter Druckverlust im Wärmeübertrager ein.• Bisher wurde keine eindeutige physikalische Begründungfür die hohe Energieeffizienz beim Einsatzvon Dellenoberflächen gefunden.• Hochaufgelöste Berechnungen basierend aufdem LES-Verfahren mit dem Framework Open-FOAM sollen einen detaillierten Einblick in Wirkmechanismenvon Dellen geben.• Ziel der Berechnungen ist es, ein fundamentalesVerständnis über die komplexen Mechanismender Wärmeübertragung an Dellenoberflächen zuerlangen.Die numerischen Simulationen, die im Rahmen einesDFG Paketprojektes auf dem HLRN durchgeführtwerden, gehören zu den Arbeiten am ProjektUntersuchung derphysikalischen Mechanismenzur Erhöhung des Wärmeüberganges aufDellenoberflächen. Es handelt sich um ein vonder Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG)gefördertes Projekt, das wiederum Teil einesVerbundprojektes in enger Kooperation mit denGruppe der TU Hamburg-Harburg (H. Herwig)und der TU Darmstadt (P. Stephan) ist. Zieldes Forschungsvorhabens ist es, ein fundamentalesVerständnis über die komplexen Mechanismender Wärmeübertragung an spezifisch verformtenDellenoberflächen in Abhängigkeit vonder Dellengeometrie und Strömungsbedingungenzu erlangen. Dellenoberflächen weisen im Gegensatzzu herkömmlichen Maßnahmen zurErhöhung des Wärmeübergangs wesentliche Vorteileauf. Der bedeutendste Vorteil ist die Erhöhungder Wärmeabgabe bei gleichzeitiger geringerErhöhung des Druckverlustes, was z.B. in Gasturbinenentscheidend für dessen Wirkungsgrad ist.Dellenförmige Oberflächenverformungen weisenzudem viele Vorteile im Vergleich zu den zurzeiteingesetzten konventionellen Verfahren wiez.B. Kühlrippen auf. Alle bisherigen Untersuchungenzeigen, dass weitere Optimierungen der Dellenformund der Geometrie der Kühlkanäle dieAttraktivität dieser alternativen Kühlungsmethodewesentlich erhöhen können. Der theoretische Teilder Arbeiten beinhaltet hochaufgelöste RANSundLES-Berechnungen der sich einstellendenStrömung und Wärmeübertragung. Die Untersuchungenwerden sowohl für einzelne Dellen alsauch für Dellenpakete in Kanälen verschiedenerHöhe durchgeführt. Im Rahmen des Projektes sollenphysikalische Wirkmechanismen der Wirbelbildungund ihr Einfluss auf die Wärmeübertragungauf Dellenoberflächen erforscht werden. DieseErkenntnisse schaffen die Basis für die Optimierungder Dellengeometrien. Aufgrund bisherigerBerechnungen wurde eine große Anzahl vonmöglichen Wirbelstrukturen in Dellen aufgedeckt,die tornadoähnliche Wirbel, Wirbelringe u.s.w. enthalten.Es wurde numerisch gezeigt, dass sich dieWirbelstrukturen in Abhängigkeit von der Dellentiefenicht nur quantitativ sondern auch qualitativändern. Die symmetrische Doppelwirbelstrukturwandelt sich unter bestimmten Bedingungen in eineasymmetrische Monostruktur innerhalb der Delle.Die erwünschten Monostrukturen können z.B.durch eine unsymmetrische Form der Dellen erzeugtwerden. Der durch die Dellenwirbel intensivierteWärmeübergang ist um den Faktor 1.8 bis2.4 größer als der Wärmeübergang an einer ebenenglatten Platte. Es konnte bereits qualitativ gezeigtwerden, dass die Form der Wirbelstruktureneinen wesentlichen Einfluss auf die thermische Effizienzdes Wärmeübertragers hat [1].Die Berechnung des Wärmeüberganges anDellenoberflächen bei den technisch relevantenReynoldszahlen Re=5000 bis Re=60000 erfolgtzumeist konventionell mit Hilfe der RANS- bzw.URANS-Methodik innerhalb der CFD. Allerdingszeigen bisherige Analysen, dass ein einheitlichesBild der inneren Strömung und der in der Delleentstehenden Wirbelstrukturen bis heute fehlt.Aufgrund von Experimenten wurde sichtbar, dassdie Strömung sehr instabil aufgrund von Schwankungender Wirbelstrukturen ist. Daher sind stationärebzw. quasistationäre (RANS, URANS) CFD-Verfahren für diese Problemstellung eher ungeeig-Ingenieurwissenschaften