Grundlegende Untersuchungen zu Stabilität und Struktur der Strömung und der Wärmeübertragung in Zyklonkühlkammern
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Ziel des Projekts war es, die physikalischen Phänomene in einer Zyklonkühlkammer experimentell und numerisch zu untersuchen. Hierzu sollte das Strömungsfeld, der Wärmeübergang und der Druckverlust für verschiedene Reynoldszahlen (Massenströme), Drallzahlen (Drallstärke) und Auslassgeometrien analysiert werden. Als weiteres Arbeitspaket wurde eine neue, anwendungsorientierte Wirbelrohrgeometrie mit mehrfacher tangentialer Einblasung detailliert untersucht. Es zeigte sich, dass die Umfangsgeschwindigkeit in Zyklonkühlkammern geprägt ist durch einen Rankinewirbel mit einem Starrkörperwirbel im Rohrkern und einem Potenzialwirbel im Außenbereich. Die Axialgeschwindigkeit ist charakterisiert durch ein Rückströmgebiet im Rohrkern über die gesamte Rohrlänge. Bei den Stabilitätsbetrachtungen zeigte sich, dass der Starrkörperwirbel nach Marsik thermisch instabil ist und sich daher zum Rohrende hin einschnürt und sich in einen Potentialwirbel umwandelt. Weiterhin gaben numerische Simulationen einen Einblick in die turbulenten Strömungsstrukturen besonders in Wandnähe und zeigten eine Doppelhelix-Wirbelstruktur in Zyklonkühlkammern. Zwischen dem Experiment und der Numerik konnte eine gute Übereinstimmung festgestellt werden. Bei den Wärmeübergangsmessungen zeigte sich, dass sich der Wärmeübergang für höhere Reynoldszahlen und für höhere Drallzahlen ebenfalls erhöht. Die Untersuchung unterschiedlicher Auslassgeometrien (wie ein gerader Auslass, ein tangentialer Auslass und ein 180° Krümmer) zeigte, dass eine Auslassumlenkung keinen signifikanten Einfluss auf die Strömung und den Wärmeübergang hat. Dies ist ein äußerst interessantes und für die technische Anwendung wichtiges Resultat, da die jetzt gefundene relative Unabhängigkeit von Auslassgeometrien mit Umlenkung verdeutlicht, dass diese Zyklonkühlkammer sehr gut geeignet ist für den Einsatz in thermisch hochbeanspruchten Bauteilen wie Gasturbinenschaufeln. Weiterhin wurden zur Untersuchung des Rückströmgebietes Simulationen mit niedrigen Drallzahlen durchgeführt. Damit konnte die analytische Grenzdrallzahl von Kobiela numerisch nachgewiesen werden, ab welcher Rezirkulationsgebiete in Wirbelrohren auftreten. Es zeigte sich, dass die Drallzahl eine entscheidende Rolle für die Stabilität und das Entstehen des Rückströmgebietes spielt. Die Untersuchung der Wirbelrohrgeometrie mit mehrfacher tangentialer Einblasung zeigte ein äußerst komplexes Geschwindigkeitsfeld aufgrund der zusätzlichen Einblasung stromab. Dadurch ändert sich die Axialströmung nach jedem Einlass aufgrund des zusätzlichen Massenstroms. Die Umfangsgeschwindigkeit bleibt allerdings nahezu konstant, da der Drall jeweils wieder neu angefacht wird. Bei den einzelnen Einlässen ergibt sich jeweils ein hoher Wärmeübergang, so dass sich über das komplette Rohr eine homogenere Wärmeübergangsverteilung einstellt als mit nur einem Einlass bei einem deutlich reduzierten Druckverlust. Bei einem Vergleich der thermischen Effizienz (Wärmeübergang zu Druckverlust) liegen alle untersuchten Konfigurationen (ein Einlass, drei Einlässe und fünf Einlässe) in der gleichen Größenordnung. Es ergibt sich also keine „optimale“ Konfiguration, sondern es kommt viel mehr auf den Anwendungsfall an, ob z.B. ein maximaler Wärmeübergang, ein homogener Wärmeübergang oder ein niedriger Druckverlust von Interesse ist. Damit wurden die im Antrag für die zweite Förderperiode beschriebenen Arbeitspakete erfolgreich bearbeitet.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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“Thermodynamic Analysis and Experimental Investigation of Swirl Tube Flow”, The 21st Int. Symp. on Transport Phenomena, Taiwan, 2010
F. Marsik, B. Kobiela, P. Novotny, B. Weigand
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“Temperature Separation and Stability Investigations of Swirl Tube Flow”, Paper-Nr. 5967, ProcessNet - Fachausschuss Wärme- u. Stoffübertragung, Baden-Baden, 2013
C. Biegger, M. Pavelka, B. Weigand, B. Kobiela, F. Marsik
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“Three Components- and Tomographic-PIV Measurements of a Cyclone Cooling Flow in a Swirl Tube”, ASME Turbo Expo 2013, GT2013-94424, San Antonio, Texas, USA, 2013
C. Biegger, A. Cabitza, B. Weigand
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“Heat Transfer Measurements in a Swirl Chamber Using the Transient Liquid Crystal Technique”, Proceedings of the 15th International Heat Transfer Conference, IHTC-15-9231, Kyoto, Japan, 2014
C. Biegger, B. Weigand
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“Flow and heat transfer measurements in a swirl chamber with different outlet geometries”, Experiments in Fluids 56:78, 2015
C. Biegger, B. Weigand
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“Numerical Investigation of Flow and Heat Transfer in a Swirl Tube”, International Journal of Thermal Sciences 96, 319-330, 2015
C. Biegger, C. Sotgiu, B. Weigand
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“Detached Eddy Simulation of Flow and Heat Transfer in Swirl Tubes“, High Performance Computing in Science and Engineering ´15, pp 449-461, 2016
C. Biegger, B. Weigand
