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aktualisiert am 24. Oktober 2020

ISBN 9783843930994

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978-3-8439-3099-4, Reihe Thermodynamik

Volker Pawlik
Bestimmung einer Nu-Beziehung für "Dimple-Oberflächen" in Kanälen bei kleinen Re-Zahlen oberhalb des Umschlags in turbulente Strömung

249 Seiten, Dissertation Universität Kassel (2016), Hardcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Wärmeübertrager im Bereich der Heiztechnik weisen für die Abgasseite beim Eintritt überwiegend kleine Reynolds-Zahlen (Re) auf, die unterhalb Rekrit für Rohre und Kanäle liegen. Mittels Dimple-Oberflächen wird Rekrit zu kleineren Werten verschoben, so dass sich der Zustand der Strömung in den Übergangsbereich zwischen laminarer und turbulenter Strömung verschiebt.

Durch die Kombination von Direkter Numerischer Simulation (DNS) und Methoden der statistischen Versuchsplanung (DoE) wird für flache Wärmeübertragerkanäle mit für Tiefziehverfahren typischerweise abgerundeten Dimple, die beidseitig und in versetzten Reihen angeordnet sind, eine Korrelation der Nußelt-Zahl (Nu) sowie der Rohrreibungszahl (λ) für Re-Zahlen im Bereich des Turbulenzumschlags, der für Dimple-Kanäle im Bereich von ca.1200 bis 2300 liegt, erstellt. Dazu wird eine transiente Strömung unter Berücksichtigung des Energietransportes mit einem einphasigen, inkompressiblen Fluid (Luft) mit konstanten Stoffwerten bei konstanter Wandtemperatur angesetzt. Die Bestimmung der Nu-Zahl erfolgt mit Stoffwerten des Fluids bzgl. einer Referenztemperatur aus Wandtemperatur und sich ergebender logarithmischer Temperaturdifferenz. Die numerischen Ansätze werden auf Basis der Re-Analogie mit isothermen Strömungsexperimenten validiert.

Beide Korrelationen gelten für ausgebildete, d.h. periodische Strömung und sind eine Funktion der Re-Zahl am Kanaleintritt sowie von 5 geometrischen Parametern, die den Kanal und seine Dimple-Oberfläche beschreiben (Kanalhöhe, Dimple-Durchmesser und -Abstand, Versatzwinkel zweier aufeinanderfolgender Dimple-Reihen, Verhältnis aus Tiefe und Durchmesser der Dimple).

In Kombination mit den ebenfalls bereitgestellten Korrelationen für laminare Strömungszustände ermöglichen die o.g. Beziehungen, für beliebige Parameterkombinationen des Gültigkeitsbereiches vorherzusagen, ob eine Strömung bereits in Turbulenz umgeschlagen ist oder nicht.

Auf Basis des Vergleichs von Messungen und DNS wird das Vorhandensein einer Einlaufstrecke für Dimple-Kanäle nachgewiesen, in der sich die Strömung hin zu einem periodischen d.h. voll ausgebildeten Zustand entwickelt. Während dieses Vorgangs ergeben sich geringere Nu-Zahlen und Rohrreibungszahlen als im ausgebildeten Zustand. Die Länge der Einlaufstrecke ist eine Funktion der Re-Zahl und der geometrischen Parameter. Zur Abschätzung dieser Strecke wird eine Korrelation bereitgestellt.