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TU Berlin

Inhalt des Dokuments

B04: Numerische Simulation von pulsierenden Prallstrahlarrays II

TP-Leiter:
Prof. J. Sesterhenn ()

WM: Gabriele Camerlengo ()
Tel.  (030) 314 24665

ZUsammenfassung

Die gesteigerte Kühlwirkung eines pulsierenden Prallstrahles gegenüber einem nicht pulsierenden Prallstrahl rührt wesentlich aus einem Wirbelsystem her, welches auf die Prallplatte trifft. Es wurde gezeigt, dass dieses Wirbelsystem eine Frequenz nahe bei der ersten Eigen-Mode des Freistrahles hat. Im vorliegenden Projekt soll untersucht werden, wie die Eigen-Moden von Querströmung und Plattenkrümmung abhängen, die im realen Fall im Inneren einer Turbinenschaufel vorkommen. Darüber hinaus soll nicht nur der lineare Fall, sondern mittels einer Rezeptivitätsstudie der gesättigte Grenzzyklus untersucht werden, wobei gefragt wird, wie dieser in einem optimalen Sinne anregbar ist. Die Interaktion mehrerer Strahlen unter Krümmung und Querströmung wird mit Hilfe einer Vorwärtssimulation an einem Linienarray untersucht.

1. Förderperiode 2012 - 2016

Numerische Simulation und Optimierung von pulsierenden Prallstrahlarrays

Zusammenfassung

Eine wirkungsvolle Kühlung thermisch hochbelasteter Bauteile ist eine wesentliche Voraus­setzung für den Erfolg neuartiger Maschinen- und Verbrennungskonzepte. Dafür müssen effi­ziente Kühlmecha­nismen entwickelt, verstanden und optimiert werden. Eine vielverspre­chende Möglichkeit zur Erhö­hung der erbrachten Kühlleistung ist die Verwendung von pulsierenden Prallstrahlarrays. Der pulsie­rende Prallstrahl erzeugt Ringwirbel, welche das Kühlfluid effektiver an die zu kühlende Wand trans­portiert und das heiße Fluid von dort effizient abtransportiert und somit die Kühlwirkung steigert. Innerhalb des Projekts sollen die zu Grunde liegenden Mechanismen pulsierender Prallstrahlarrays durch numerische Simulation untersucht und auf erhöhte Kühlleistung optimiert werden.

Abb. 1: Rechengebiet mit iso-Flächen bei Ma=0,2, gefärbt mit dem Druck und bei Q=10^5 m^2s^-4, gefärbt mit der radialen Geschwindigkeit. Re=8000
Lupe

Zur Untersuchung des Wärmeübergangs eines runden Prallstrahls (nicht pulsierend) als Referenz wurden zwei Simulationen mit Reynolds-Zahlen von 3300 bzw. 8000 durchgeführt. Die dafür verwendeten Gitter besitzen 512 × 512 × 512 bzw. 1024 × 1024 × 1024 Punkte.

Abb. 1 zeigt das Rechengebiet bei einer Momentaufnahme von turbulenten Strukturen des Prallstrahls bei einer Reynolds-Zahl von 8000. Die beiden Wände sind isotherm. Alle anderen Randbedingungen sind nicht-reflektierend. Die Simulation wurde auf den größeren der beiden Gitter, mit mehr als einer Milliarde Punkten, durchgeführt. Mehr als eine Viertelmillion Zeitschritte werden benötigt, um Konvergenz der Statistik turbulenter Größen zu erreichen.

Abb. 2: In Umfangsrichtung gemittelte Verteilung der lokalen Nusselt-Zahl (oben) und des turbulenten Wärmestroms (unten). Re=3300.
Lupe

Beide Konfigurationen weisen je zwei ringförmige Bereiche mit lokalen Maxima des Wärmeübergangs an der Prallplatte auf. Das periodische Auftreten und Verschwinden von Wirbelpaaren (Abb. 3) führt zu einem hohen mittleren Wand-normalen turbulenten Wärmestrom, und zwar exakt dort, wo auch die mittlere Nusselt-Zahl ihre lokalen Maxima erreicht.

Abb. 3: Momentaufnahme bei Re=3300. Ebene durch die Achse des Strahls: Temparatur. Prallplatte: Nusselt-Zahl.
Lupe

Als Folge dieser Resultate ist das Ziel für die zukünftige Arbeit, die Wirbel mit Hilfe eines pulsierenden Einlasses, und somit auch den Wand-normalen Wärmestrom, zu verstärken. Als Resultat soll die Kühlung der Prallplatte effizienter werden.

Danksagung

Die Simulationen wurden bzw. werden auf den nationalen Supercomputern Cray XE6 und Cray XC40 am Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart (HLRS) unter dem Projekt GCS-NOIJ/12993 durchgeführt.

Publikationen

Wilke, R. und J. L. Sesterhenn: Direct Numerical Simulation of Heat Transfer of a Round Subsonic Impinging Jet. In: Notes on Numerical Fluid Mechanics and Multidisciplinary Design, Bd. 127, S. 147–159. Springer, 2015.

Wilke, R. und J. L. Sesterhenn: Numerical Simulation of Impinging Jets. In: High Performance Computing in Science and Engineering ‘14, S. 275–287. Springer International Publishing, 2015.
Wilke, R. und J. L. Sesterhenn: Numerical Simulation of Subsonic and Supersonic Impinging Jets. Akzeptiert f ¨ ur High Performance Computing in Science and Engineering ‘15), 2016.

Haucke, F., W. Nitsche, R. Wilke und J. L. Sesterhenn: Experimental and Numerical Investigations Regarding Pulsed Impingement Cooling. In: Deutscher Luft- und Raumfahrt Kongress, Rostock, Germany, 2015.

Hossbach, S., R. Wilke und J. L. Sesterhenn: Identification of Material Vortices. In: Turbulence, Heat and Mass Transfer 8, isbn 978-1-56700-428-8, 2015.

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Sprecher

Prof. Dr.-Ing. Rudibert King

Wiss. Koordinator

M.Sc. Christina Riehn
+49 30 314 21422
Raum ER 102

Sekretariat
Steffi Stehr
Sekr. ER 2-1
Raum 107
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Tel: 314 23110