Forschung im HLRN-Verbund 2011

133Abbildung 1: Stromlinienverläufe des ersten und zweiten POD Modes der Geschwindigkeit auf Dellenoberflächen.Diese energietragenden Strukturen sind verantwortlich für die hohe thermischen Effizienz von Dellenoberflächenin Wärmeübertragern.net. Um die typischen Wirbelstrukturen zu identifizieren,wird mit den heutigen Rechenressourcenauf dem HLRN die LES (Large-Eddy Simulation)als moderne CFD-Technologie mit Hilfe des FrameworksOpenFOAM eingesetzt.Mit Hilfe der LES wird die Strömung zeitlichund räumlich hoch aufgelöst, wodurch dieMöglichkeit besteht, die Wirbelbildung bzw. denWirbeltransport und deren Einfluss auf den lokalenWärmeübergang zu analysieren. Wirbelzentrenkönnen mit Hilfe des Lambda 2-Kriteriumsoder des Q-Kriteriums visualisiert werden. MitHilfe der Frequenzanalyse und anschließenderPhasenmittlung der Strömungsfelder lassen sichdie Isoflächen der einzelnen großen und kleinenWirbelstrukturen identifizieren. Weiterhin gebendie phasengemittelten Stromlinien Einblickin die Geschwindigkeitsverläufe. Zur zusätzlichenAuswertung dieser Geschwindigkeitsfelder stehenverschiedene moderne Techniken und Verfahren,wie Fouriermodenzerlegung, Waveletanalysebzw. die sogenannte Karhunen-Loéve-Zerlegung(engl. Proper Orthogonal Decomposition, POD),zur Verfügung. Die POD Analyse nach Sirovichwurde im Rahmen des Projektes in den bestehendenProgrammcode OpenFOAM implementiert.Die Bedeutung der Karhunen-Loéve-Zerlegung alsniederdimensionale Modenzerlegung hat in denletzten Jahren mit der ständig steigenden Rechnerleistungund dem damit verbundenen Anwachsenvon numerisch ermittelten Daten stetig zugenommen.Die POD Analyse zerlegt eine turbulenteperiodische Strömung in kohärente Strukturen undlässt deren Entstehungsgeschichte, Entwicklungund Zerfallsprozess nachvollziehen. Eine in diskretenDaten in Raum und Zeit gegebene Strömungwird dazu in orthogonale geordnete Moden zerlegt,die nacheinander die zeitlich veränderlicheStrömung nach Energieanteilen beschreiben. Dieentnommenen Strukturen aus der POD Analysezeigen den Grundcharakter der Strömung entlangDellenoberflächen und zeigen Strukturen auf, welchefür die hohe thermische Effizienz von Dellenim Wärmeübertrager verantwortlich sind [2].Mit den erzielten Ergebnissen wird ein detaillierterEinblick in die Dynamik der Strömung und desWärmeüberganges auf Dellenoberflächen aufgezeigt.Es lassen sich folglich, basierend auf denErgebnissen, neue Methoden zur Auslegung undKonstruktion optimierter Wärmeübertrager entwickeln,wodurch deren Effizienz zur Energieausbeutedeutlich gesteigert werden kann.Mehr zum Thema1. N. Kornev, E. Hassel, H. Herwig, S. Isaev,P. Stephan, V. Zhdanov, Erhöhung desWärmeüberganges durch Wirbelinduktion inOberflächendellen, Forschung im IngenieurwesenVol.2 (2004).2. J.Turnow, N. Kornev, S. Isaev, E. Hassel, Vortexmechanism of heat transfer enhancement in achannel with spherical and oval dimples, Heatand Mass Transfer, DOI: 10.1007/s00231-010-0720-5FörderungDeutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)Ingenieurwissenschaften