Betrachtung von Strömung und Wärmeübergang in komplexen Geometrien

Ahrend, Ulf

In der vorliegenden Arbeit wird detailliert das Zusammenwirken von Sekundärströmungsphänomenen mit dem lokalen Wärmeübergang in Kompaktwärmeübertrager-Geometrien untersucht. Exemplarisch wird ein Rohrbündel-Wärmeübertrager mit ebenen Lamellen und ein neuartiger Flachrohr-Wärmeübertrager mit verkippten Flachrohren betrachtet. Die Analyse ist auf die Identifizierung von lokalen wärmeübergangsintensivierenden Strukturen in einem Reynolds-Zahl-Bereich zwischen Re_dh=3000 und Re_dh=6000 fokussiert. Um auch in den turbulenten Geschwindigkeitsfluktuationen Aussagen über wärmeübergangserhöhende Strukturen treffen zu können, wird die "Proper Orthogonal Decomposition" implementiert. Sie zerlegt die Geschwindigkeitsfluktuationen in räumliche Basisfunktionen, in denen sich für den Wärmeübergang relevante Strukturen zeigen. Mit einem Derivat dieser Methode, der Gappy-POD, wird gezeigt, dass sie sich dazu eignet, Abschattungen durch Geometrieeinbauten in den instantanen Geschwindigkeitsfeldern zu rekonstruieren. In der Strömungsuntersuchung wird die abgeleitete Strömungsgröße dW/dz, das Residuum der Kontinuitätsgleichung, als Kriterium etabliert, mit dem auch aus wandparallelen Messungen Aussagen über das Strömungsverhalten in Wandnormalenrichtung getroffen werden können. Über den Vergleich mit einem Wirbelmodell kann der Zusammenhang zwischen der oben genannten, in Wandnähe bestimmten Strömungsgröße und einer lokalen Wärmeübergangserhöhung bzw. -erniedrigung gezeigt werden. Die Aussagen decken sich mit den von der POD aufgedeckten Strömungsstrukturen in den turbulenten Fluktuationen. Die Arbeit trägt zu einem tieferen Verständnis des komplexen Zusammenspiels von Sekundärströmungseffekten und dem lokalen Wärmetransport in technisch relevanten Wärmeübertrager-Geometrien bei. Dies ist für eine substanzielle Verbesserung derartiger Geräte unabdingbar und führt letztlich zu einem effizienteren Einsatz und einer ressourcenschonenden Verteilung thermischer Energie.

This Ph.D. thesis presents a detailed analysis of the relation and interaction of secondary flow features and the local heat transfer in compact heat exchangers. The studied geometries are a fin-and-tube heat exchanger with plain fins and a novel flat-tube heat exchanger with inclined tubes. The main goal of this work is to identify structures that are beneficial to a local heat transfer enhancement. It focuses on the analysis of flows with Reynolds numbers between Re_dh=3000 and Re_dh=6000. Flow structures that effect the local heat transfer are also sought in the turbulent velocity fluctuations. This is done by means of the proper orthogonal decomposition (POD). It allows an optimal linear decomposition of the fluctuating velocity fields in terms of spatial basis functions. Some of the basis functions reveal spatial structures that are relevant to heat transfer. The so-called Gappy-POD is a modified scheme of the standard POD. It is implemented and applied to reconstruct shadowed regions in the velocity fields. The out-of-plane movement of fluid close to the fin is most important to the heat transfer. It cannot be measured directly by the here applied two-dimensional PIV. Therefore, the flow quantity dW/dz, i.e. the residue of the equation of continuity, is calculated and proven to provide reliable information of the wall-normal flow. In conjunction with a vortex model it can be shown that the near-wall distribution of dW/dz is closely related to locally enhanced or reduced heat transfer. Results drawn from this comparison are confirmed by flow structures that are found by the POD analysis. The here presented work fosters a detailed and deep understanding of the interaction of secondary flow phenomena and local heat transfer in complex heat exchangers. The results are necessary for a substantial improvement of the named devices and, consequently, an efficient use and distribution of thermal energy.

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Ahrend, Ulf: Betrachtung von Strömung und Wärmeübergang in komplexen Geometrien. 2009.

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