Laser-Doppler- und Hitzdraht-Anemometrie-Messungen entlang V-förmiger angehobener Rippen in einem quadratischen Kanal

Abstract

Zusammenfassung Der Einsatz von Rippenstrukturen auf Wärmetauscheroberflächen führt zu einer erhöhten Wärmeübertragung zwischen Arbeitsfluid und Komponentenwand. Eine Möglichkeit lokale Wärmeübertragungsminima infolge von stationär auftretenden Staupunkt- und Rezirkulationsströmungen hinter den Rippen zu vermindern bzw. zu vermeiden, bietet das Anheben der Rippen um kleine Abstände von der thermisch belasteten Wand. In der vorliegenden Arbeit wird das anhand von Geschwindigkeitsmessungen mittels Laser-Doppler-Anemometrie (LDA) und Hitzdraht-Anemometrie (HWA) abgeleitete Strömungsbild einer turbulenten Strömung in einem einseitig mit angehobenen V-förmigen Rippen strukturierten Kanal bei einer (für Hochtemperaturanwendungen typischen) Reynolds-Zahl von Re H = 5,0 · 104 diskutiert. Das Rippenabstand-Rippenhöhe-Verhältnis war 9, die Verblockungsrate betrug 10% und das Spalthöhe-Rippenhöhe-Verhältnis lag bei 0,5. Die gemessenen mittleren Geschwindigkeitsverläufe und Reynolds-Spannungs-Verläufe deuten auf eine ausgeprägte Dreidimensionalität des Strömungsfeldes oberhalb und unterhalb der Rippe hin. Im Strömungsbereich oberhalb der Rippe bildet sich eine durch die Rippenanstellung induzierte Sekundärströmung aus. Der daraus result-ierende Fluidtransport in Querrichtung führt zu unterschiedlichen Entwicklungen der an den Rippenhinterkanten ablösenden Scherschichten, wodurch die Reynolds-Normal- und Scherspannungen erheblich in Querrichtung variieren. Durch das aus dem Rippenspalt austretende, aufwärtsgerichtete Fluid wird ein permanentes Wiederanlegen der abgelösten Scherschichten und somit das stationäre Auftreten von Staupunkt- und Rezirkulationsströmungen in Wandnähe verhindert. Darüber hinaus zeigt sich, dass als Folge der hohen Dreidimensionalität des Strömungsfelds und der Rippenreihenkonfiguration die Nachlaufströmung durch ein beim Ablösevorgang der Scherschichten einsetzenden instationären periodischen Strömungsvorgang bestimmt wird. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Einsatz von angehobenen V-förmigen Rippen als Strukturierungsmethode in Kanälen von Wärmetauschern, aufgrund der Vermeidung von Staupunktströmungen sowie einer intensiven konvektiven und turbulenten Durchmischung innerhalb des Rippenzwischenbereichs, zu einer hohen und über die Wärmeübertragungsfläche homogenisierten Wärmeübertragung führen könnten.