Experimentelle Untersuchung der turbulenten supersonischen Filmkühlung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Supersonische Filmkühlung mit tangentialer Einblasung ist ein vielversprechendes Verfahren zur Kühlung thermisch hochbelasteter Bauteile in modernen Hochleistungsantrieben von Raumtransportsystemen. Durch Verdichtungsstöße, die mit der Kühlfilmströmung interagieren, entsteht ein komplexes Strömungsfeld, das höchste Anforderungen an die Modellierung und die numerische Simulation stellt. Standardmäßige Berechnungsverfahren für das turbulente Strömungsfeld enthalten wesentliche vereinfachende Annahmen wie z.B. die Konstanz der turbulenten Prandtl- und Schmidtzahl. Daraus resultieren inakzeptable Vorhersagegenauigkeiten. Während die Variation der turbulenten Prandtl- und Schmidtzahl in supersonischen Kühlfilmströmungen bereits in numerischen Studien bestätigt worden ist, wurde noch kein Nachweis auf experimenteller Seite geführt. Um dieser Problematik zu begegnen, wurden Experimente für eine turbulente Luft-Außenströmung mit einer injizierten laminaren Luft- und Helium Kühlströmung, d.h. eine Luft/Luft und eine Luft/Helium-Kühlung, durchgeführt. Die Experimente ermöglichten eine Variation der Injektionsmachzahl, der Stoß-Kühlfilm-Interaktionslage, der Stoßstärke und die Veränderung des Dichtegradienten. Um die wesentlichen Mechanismen für die Bestimmung der Kühleffizienz zu analysieren, stand im Vordergrund der experimentellen Untersuchung die Erfassung der Mischungsprozesse, die durch die Stoß-Kühlfilm-Interaktionslagen und Kühlfilm-Außenströmung-Dichtegradienten charakterisiert sind, und die Ermittlung der Verteilung der turbulenten Prandtl- und Schmidtzahl. Die Geschwindigkeitsverteilung wurde mittels Particle-Image Velocimetry (PIV) Messungen erfasst. Zur Dokumentation des Strömungsfeldes wurden zusätzlich Background-Oriented Schlieren Messungen aus mehreren Sichtwinkeln durchgeführt. Dies erlaubte eine volumetrische Rekonstruktion des Brechungsindexfeldes und damit des Dichtefeldes. Zur Bestimmung der turbulenten Prandtlzahl wurde ein Temperaturrechen entworfen und gebaut. Unter Annahme der Morkovin-Hypothese konnte aus den gemessenen Temperatur- und Geschwindigkeitsdaten die turbulente Prandtlzahl bestimmt werden. Zur qualitativen Bestimmung der Konzentrationsverteilung des Kühlmediums bei Heliumeinblasung wurden Messungen mit einer sehr hohen Dichte an Tracerpartikeln in der Hauptströmung und partikelfreier Kühlfilmströmung durchgeführt. Die räumliche Verteilung der Tracerpartikel ermöglichte die Abschätzung der Heliumkonzentration und der turbulenten Flüsse und der turbulenten Schmidtzahl. Die Messungen zeigen eine deutliche Zunahme der turbulenten Durchmischung im Bereich der Stoß-Kühlfilm-Interaktion. Die Intensität der Durchmischung wird dabei maßgeblich vom Impuls der wandnahen Strömung und von der Stärke des einfallenden Stoßes beeinflusst. Stärkere Stöße bzw. ein geringerer Impuls führen dabei zu einer stoßinduzierten Ablöseblase. Stromab der Ablöseblase ist die turbulente Durchmischung des Kühlfilms mit der Außenströmung drastisch erhöht. Dies führt zu lokalen Spitzen der thermischen Last, welche bei der Auslegung von effizienten Kühlsystemen berücksichtigt werden müssen. Die Untersuchung der turbulenten Prandtlzahl zeigt, dass die zur Auswertung herangezogene Morkovin- Hypothese, d.h. die Annahme von vernachlässigbar kleinen Einflüssen der Dichtefluktuationen auf die Turbulenz, nicht im gesamten untersuchten Strömungsfeld gültig ist. In der zunächst sehr dünnen Mischungsschicht zwischen Außenströmung und Kühlfilmströmung erreicht die turbulente Prandtlzahl daher unphysikalische Werte. Dies beschränkt die Analyse der turbulenten Prandtlzahl auf Gebiete mit schwächeren Dichtefluktuationen, also auf die einlaufende Grenzschicht und die Strömung weit stromab der Kühlfilminjektion. In diesen Gebieten weist die Verteilung der turbulenten Prandtlzahl massive Veränderungen gegenüber einem konstanten Wert in wandnormaler Richtung auf. Damit bestätigen die Experimente die numerischen Vorhersagen, dass die Annahme einer konstanten turbulenten Prandtlzahl bei supersonischen Kühlfilmströmungen nicht gültig ist. Für die turbulente Schmidtzahl konnte ebenfalls eine deutliche Variation innerhalb des Strömungfeldes nachgewiesen werden. Bei Strömung ohne Stoßinteraktion verläuft die Variation hauptsächlich in wandnormaler Richtung. Bei Kühlfilmströmungen mit Stoßinteraktion treten zusätzlich drastische Änderungen der turbulenten Schmidtzahl in Strömungsrichtung auf. Die qualitative Verteilung der experimentell ermittelten turbulenten Schmidtzahl ist dabei in guter Übereinstimmung mit den Ergebnissen von Large-Eddy Simulationen aus der Literatur. Folglich wird erstmals experimentell bestätigt, dass für eine aussagekräftige Bestimmung des turbulenten Transports in Kühlfilmströmungen die Variationen der turbulenten Prandtl- und Schmidtzahlen in Normalenund Hauptströmungsrichtung berücksichtigt werden müssen, um genaue Vorhersagen bezüglich der Kühleffizienz von Kühlfilmströmungen treffen zu können. Weiterhin stellen die Ergebnisse eine sehr gute Datenbasis für die Weiterentwicklung von Turbulenzmodellierungsansätzen, in denen nicht-konstante turbulente Prandtl- und Schmidtzahlen berücksichtigt werden, im Kontext der Reynolds-averaged Navier-Stokes Gleichungen dar.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- “PIV measurements of slot-film cooling at shock interaction”. In: Fachtagung Experimentelle Strömungsmechanik. Cottbus, 2016
P. Marquardt, M. Klaas und W. Schröder
- “PIV measurements of supersonic slot-film cooling with shock/coolingfilm interaction”. In: 18th International Symposium on the Application of Laser and Imaging Techniques to Fluid Dynamics. Lissabon, Portugal, 2016
P. Marquardt, M. Klaas und F. Michaux
- “Analysis of the near-wall flow field in shock-cooling-film interaction for varying shock impingement positions”. In: 10th International Symposium on Turbulence Shear Flow Phenomena (TSFP10). Chicago, USA, 2017
P. Marquardt, M. Klaas und W. Schröder
- “PIV Measurements of Shock/Cooling-Film Interaction at Varying Shock Impingement Position”. In: New Results in Numerical and Experimental Fluid Mechanics XI. Springer, 2018, S. 129–139
P. Marquardt, M. Klaas und W. Schröder
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/978-3-319-64519-3_12) - “PIV measurements of supersonic slot-film cooling with shock–cooling film interaction at cold injection”. In: 19th International Symposium on the Application of Laser and Imaging Techniques to Fluid Dynamics. Lissabon, Portugal, 2018
P. Marquardt, M. Klaas und W. Schröder
- “Experimental investigation of isoenergetic film cooling flows with shock interaction”. In: AIAA Journal (2019)
P. Marquardt, M. Klaas und W. Schröder
(Siehe online unter https://doi.org/10.2514/1.J058197) - “Turbulent transport in supersonic film cooling with helium injection”. In: 13th International Symposium on Particle Image Velocimetry (ISPIV 2019). München, 2019
P. Marquardt, M. Klaas und W. Schröder
