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Wärmeübertragung

Hier finden Sie weitere Informationen zum Forschungsbereich Wärmeübertragung.

Themen der Wärmeübertragung am ITLR

Experimentell

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Transpirationskühlung ist eine vielversprechende und innovative Technologie zur Temperaturregulierung von Anwendungen in der Raumfahrt, z.B Raketenbrennkammern, unter thermischen Belastungen mit Temperaturen von über 2500 K. Um die grundlegenden physikalischen und thermodynamischen Mechanismen dieser aktiven Kühlmethode zu verstehen werden an der "Medium Temperature Facility" (MTF) am ITLR experimentell einzelne poröse Carbon/Carbon (C/C) Wandsegmente untersucht.

Kontaktperson: Andreas Schwab, M.Sc.

Moderne Gasturbinenschaufeln sind hohen thermischen Belastungen ausgesetzt und müssen effizient gekühlt werden. Eine vielversprechende Möglichkeit zur Kühlung der Schaufelvorderkante stellt die so genannte Zyklonkühlkammer, auch Wirbelrohr genannt, dar.
Ein Wirbelrohr besteht aus einem Rohr mit einem oder mehreren tangentialen Einlässen, welche der Strömung einen starken Drall aufprägen. Die daraus resultierenden hohen Strömungsgeschwindigkeiten in Wandnähe und die starke turbulente Durchmischung erzielen hohe Wärmeübergangskoeffizienten. Ziel des Projektes ist es, verschiedene konvergente Querschnittsverläufe entlang des Wirbelrohres und deren Auswirkung auf die Strömung und den Wärmeübergang zu untersuchen.

Kontaktperson: Florian Seibold, M.Sc.

Experimentelle Untersuchung des Austauschprozesses im Grenzbereich zwischen einem porösen Medium und einem angrenzenden Freistrom, von makroskopischen Porenskalen bis in den Submillimeterbereich. Die Particle Image Velocimetry und Thermometry werden zur Untersuchung des Geschwindigkeits- und Temperaturfeldes in der Gasphase eingesetzt.

Kontaktperson: Dr. David S. Hernández

Die gekrümmten Schaufelvorderkanten von Turbinenschaufeln direkt hinter der Brennkammer gehören zu den höchstbelasteten Bauteilen einer Gasturbine. Eine optimierte interne Schaufelkühlung ermöglicht höhere Temperaturen und thermische Wirkungsgrade der Gasturbine. Zu diesem Zweck werden verschiedene Prallstrahlgeometrien/-konfigurationen experimentell und numerisch untersucht.

Kontaktperson: Marius Forster, M.Sc.

Selective Laser Melting (3D-Druck) bietet neue Möglichkeiten bei der Entwicklung hocheffizienter Kühlsysteme in Turbomaschinen. Im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms der Europäischen Union Horizon 2020: TURBO-REFLEX wird ein neues Messverfahren zur Bestimmung der lokalen Wärmeübertragungseigenschaften von Metallteilen in Originalgröße entwickelt. Die experimentellen Ergebnisse werden durch numerische Simulationen unterstützt und erlauben ein detailliertes Verständnis des Einflusses verschiedener Kühlkonfigurationen und Wandrauigkeiten auf die Kühleigenschaften.

Kontaktperson: Tobias Krille, M.Sc.
Forschungsverbund: Horizon 2020: TURBO-REFLEX

Experimentell sowie numerisch werden Wärmeübergang und Strömungsfeld in Netzwerken sich kreuzender, kreisrunder Kühlkanäle untersucht. Dabei werden verschiedene Geometrien verglichen, die sich in der Anzahl der Bohrungen und deren Abstand sowie der Anzahl der Kreuzungslevels unterscheiden. Der Hauptfokus liegt auf den lokalen Wärmeübergangseigenschaften der Netzwerke, die experimentell mithilfe der transienten Flüssigkristallmethode (TLC) untersucht und mittels eines eigens entwickelten kombinierten experimentell-numerischen Ansatzes ausgewertet werden.

Kontaktperson: Dipl.-Ing. Anika Steurer

Thermisch hochbelastete Turbinenschaufeln sind mit internen Kühlkanälen ausgestattet. Am ITLR werden solche Kühlsysteme schon lange mittels der transienten Flüssigkristall-Messmethode untersucht, um die Wärmeübergangsverteilungen an den Kühlkanalwänden zu bestimmen. Ein neu entwickelter rotierender Versuchsstand ermöglicht es uns jetzt auch, derartige Kühlsysteme unter Rotationseinfluss zu untersuchen. Die Kühlluftströmung wird hier zusätzlich durch Corioliskräfte und rotationsbedingte Auftriebskräfte beeinflusst, was die Wärmeübergangsverteilung deutlich verändern kann.

Kontaktperson: Dipl.-Ing. Christian Waidmann

Diese Arbeit befasst sich mit der numerischen und experimentellen Untersuchung von komplexen Prallstrahlanordnungen. Numerische Simulationen der Strömungs- und Wärmeübergangscharakteristika erfolgen mit dem kommerziellen Strömungslöser ANSYS CFX. Zur Validierung der numerischen Ergebnisse dient ein experimenteller Aufbau unter Einsatz der Infrarot-Thermografie. Die Prallstrahlen können in einem offenen Windkanal zusätzlich mit einem Querstrom überlagert werden. Grundlage der Untersuchung ist ein bestehendes Kühlsystem der MTU Aero Engines AG zur Reduktion von Ringspaltverlusten an Niederdruckturbinen.

Kontaktperson: Dipl.-Ing. Julia Wienand

  • Experimentelle und numerische Untersuchung von Strömungen von Turbomaschinen, einschließlich Wärmeübertragungsphänomenen
  • Zweiphasenströmungen und Transportprozesse in porösen Medien
  • Wechselwirkungen zwischen Tröpfchen- und Wandfilm und verwandten Spritzerscheinungen
  • Benetzungs- und Kristallisationsprozesse
  • Messtechnik in der Strömungsmechanik und Wärmeübertragung

Kontaktperson: Dr. Alexandros Terzis

Numerisch

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Aufgrund verbesserter Kühlungssystemen in internen Gasturbinenkühlkanälen können die Massenströme reduziert werden. Dadurch gewinnen die Rotationseffekte in den internen Kühlkanälen an Bedeutung. Um dies detailliert zu untersuchen, werden die experimentellen Arbeiten am rotierenden Prüfstand des ITLR durch numerische Simulationen eng begleitet werden.

Kontaktperson: Dipl.-Ing. Michael Göhring

In diesem Projekt werden Fortschritte auf dem Gebiet der Turbulenz- und Skalarflussmodellierung zur Optimierung der Kühlung von Turbinenkomponenten genutzt. Der Fokus liegt dabei auf der Kühlmethode der Filmkühlung in Gasturbinen zur Stromerzeugung. Mit den Erkenntnissen aus diesem Projekt kann in Zukunft Kühlluft eingespart und damit der thermische Wirkungsgrad dieses Kraftwerks-Typs erhöht und die Schadstoffemissionen gesenkt werden. Industriepartner dieses Projekts ist die Siemens AG. Außerdem wird das Projekt gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie.

Kontaktperson: Hendrik Mayer, M.Sc.

Dieses Vorhaben ist Teil des Verbundprojektes AG Turbo-COOREFLEX-turbo mit den Zielen einer gesteigerten Vorhersagegenauigkeit der Strömungsfelder, Temperaturfelder und Wärmeübergänge in Kühlkonfigurationen von Gasturbinenschaufeln mittels moderner numerischer Simulationsverfahren. Durch eine Verbesserung oder Anpassung der Turbulenzmodelle in CFD-Programmen, lassen sich die thermischen Lasten, insbesondere auch bei wechselnden Betriebsbedingungen, besser vorhersagen, was schlussendlich neue Möglichkeiten in der Auslegung moderner Gasturbinen ermöglicht.

Kontaktperson: Dipl.-Ing. Corrado Sotgiu

Um Kühlsysteme von modernen Gasturbinenschaufeln zu verbessern, müssen die lokalen Kühlungseigenschaften eines Systems unter allen relevanten Betriebsbedingungen bekannt sein. Dabei soll der interne Kühlluftverbrauch reduziert werden, um eine Wirkungsgradsteigerung bei gleichzeitiger Reduzierung der Schadstoffemissionen zu erzielen.
Zur Erhöhung des internen Wärmeübergangs von Gasturbinenschaufeln kommt dabei eine Kombination verschiedener Kühlungsmechanismen wie Prallstrahlen, Pin-Fins und Rippen zum Einsatz, wodurch sich sehr komplexe Strömungen ergeben. Zur besseren Vorhersage der entstehenden Bauteiltemperaturen bedarf es einer Verbesserung der bestehenden numerischen Modelle zur Beschreibung der turbulenten Strömung.

Kontaktperson: Dipl.-Ing. Philipp Wellinger

  • FEA-CFD Kopplung.
  • Ungleichheit der Zeitskalen thermischer Transportvorgänge in Fluid und Festkörper.
  • Konjugierter Wärmeübergang bei aero-thermisch pulsierenden Strömungen.

Kontaktperson Dipl.-Ing. Alexander Schindler

Komplizierte Phänomene der Strömungsphysik werden mit DNS/LES untersucht. Diese Phänomene fassen zum Beispiel die Wärmeübertragung in einer porösen Struktur. Darüber hinaus werden moderne Methoden der Datenanalyse eingesetzt, um das Verständnis und die prädiktive Modellierung komplexer, mehrmaßstäblicher physikalischer Systeme zu verbessern.

Kontaktperson: Dr.-Ing. Xu Chu

Numerische Simulation auf Porenskala von Wärme- und Massentransport in porösen Medien unter Berücksichtigung von Zweiphasenströmung, Phasenübergang und Kopplung zwischen freier Strömung und porösem Medium.

Kontaktperson: Johannes Müller, M.Sc.

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