Ermittlung von Strömungsverlusten durch die Bestimmung der Entropieproduktion

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Heinz Herwig
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 158447526

• Erstellungsjahr: 2015

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Grundidee besteht darin, Verluste bei den unterschiedlichsten Strömungsformen nicht mehr durch Widerstandskräfte (bei Umströmungen) oder Druckverluste (bei Durchströmungen) zu ermitteln, sondern die damit verbundene Entropieproduktion im gesamten Strömungsfeld zu betrachten und durch Integration daraus auf die Verluste zu schließen. Dies wird möglich, wenn interdisziplinär eine zunächst strömungsmechanische Fragestellung mit thermodynamischen Methoden gelöst wird. Dieses Konzept wurde auf eine große Bandbreite von Strömungen angewandt. Es konnte damit die uneingeschränkte Anwendbarkeit des gewählten Ansatzes nachgewiesen werden. Diese Bandbreite umfasst insbesondere: Durchströmungen und Umströmungen; laminare und turbulente Strömungen; kompressible und inkompressible Strömungen;  stationäre und instationäre Strömungen; einphasige und zweiphasige Strömungen. Da es sich bei der gewählten Vorgehensweise um eine Strömungsmodellierung handelt, muss ein solches Modell grundsätzlich validiert werden. Dies kann entweder im direkten Vergleich mit experimentellen Daten erfolgen, oder speziell bei turbulenten Strömungen durch den Abgleich mit DNS-Ergebnissen. Es wurde der erste Weg gewählt und nachgewiesen, dass theoretisch vorhergesagte Ergebnisse hervorragend mit experimentellen Daten übereinstimmen. Damit ist die Situation entstanden, dass Strömungsverluste jetzt nicht mehr bestimmt aber nicht verstanden werden, sondern dass mit der Bestimmung dieser Verluste auch das physikalische Verständnis für ihre Entstehung einhergeht. Dass dies für eine nachfolgende Optimierung von unschätzbarem Wert ist, versteht sich fast von selbst, konnte aber auch im Rahmen des Forschungsprojektes nachgewiesen werden. Mit der neu entwickelten Methodik kann in Zukunft ein ganzer „Kanon“ von strömungsmechanischen Bauteilen bzgl. der Verluste untersucht und charakterisiert werden. Langfristig kann deshalb das umfangreiche Tabellenwerk empirisch ermittelter Verlustbeiwerte für die unterschiedlichsten Bauteile und Strömungssituationen durch ein physikalisch begründetes und theoretisch untermauertes Kompendium abgelöst werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Diffusor and Nozzle Design Optimization by Entropy Generation Minimization, Entropy, Vol. 13, 1380-1402, 2011
  B. Schmandt, H. Herwig
  
• Internal Flow Losses: A Fresh Look at old concepts, J. Fluids Eng., Vol. 133, 051201-1-10, 2011
  B. Schmandt, H. Herwig
  
• Drag with External and Pressure Drop with Internal Flows: A New and Unifying Look at Losses in the Flow Field Based on the Second Law of Thermodynamics, Fluid Dynamics Research, Vol. 45, 1-18, 2013
  H. Herwig, B. Schmandt
  
• Loss Coefficients for periodically unsteady flows in conduit components: Illustrated for laminar flow in a circular duct and a 90 Degree Bend, J. Fluids Eng.; Vol. 135/03 1204-1, 2013
  B. Schmandt, H. Herwig
  
• Determination of head change coefficients for dividing and combining junctions: A method based on the second law of thermodynamics, Chemical Engineering Sciences, Vol. 111, 191-202, 2014
  B. Schmandt, H. Herwig
  
• How to Determine Losses in a Flow Field: A Paradigm Shift Towards the Second Law Analysis, Entropy, Vol.16, 2959- 2989, 2014
  H. Herwig, B. Schmandt