Diese Arbeit befasst sich mit dem konjugierten Wärmeübergang in einer turbulenten Strömung unter transienten Bedingungen. Hierfür wurde das frei verfügbare Simulationstool OpenFOAM verwendet.
Dabei soll ein Beitrag zum Verstehen der Phänomene geleistet werden, die beim transienten konjugierten Wärmeübergang in turbulenten Strömungen auftreten. Dafür soll der Wärmeübergang in einem rechteckigen Kanal mit einem Festkörper in der Kanalmitte untersucht werden. Anhand zahlreicher Testfälle wird der Einfluss verschiedener Parameter auf den Wärmeübergang näher betrachtet.
Die Strömung in Kühlsystemen von Gasturbinen ist oft instationär und unterliegt transienten Betriebspunktänderungen. Im Rahmen der Bachelorarbeit wurden konjugierte Wärmeübergangsvorgänge sowohl unter transienten thermischen als auch unter transienten aerodynamischen Bedingungen untersucht. Hierbei wurde das Open-Source-Softwarepaket OpenFOAM eingesetzt, um verschiedene Einflussparameter des numerischen Setups auf die Simulation zu bewerten. Die Validierung der numerischen Ergebnisse erfolgte anhand experimenteller Untersuchungen sowie vereinfachter analytischer Lösungen.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Motivation
1.2 Ziel der Arbeit
2 Physikalische Grundlagen
2.1 Wärmeübertragung
2.2 Navier-Stokes-Gleichungen
2.2.1 Allgemeine Erhaltungsgleichung
2.2.2 Massenerhaltung
2.2.3 Impulserhaltung
2.2.4 Energieerhaltung
2.3 Laplace Gleichung
2.4 Konjugierter Wärmeübergang (CHT)
2.5 Dimensionslose Zahlen
3 Numerische Modellierung
3.1 Turbulenzmodellierung
3.2 OpenFOAM
3.3 CHT in OpenFOAM
4 Literaturrecherche
4.1 Laminare Strömungen
4.2 Turbulente Strömungen
5 Numerisches Setup
5.1 Geometrie
5.2 Gitter
5.3 Randbedingungen
5.4 Stoffwerte
6 Ergebnisse und Diskussion
6.1 Thermisch pulsierende Kanalströmung bei konstanter Einlassgeschwindigkeit
6.1.1 Sensitivitätsanalyse zur CFL-Zahl
6.1.2 Temperatursprung mit anschließender Pulsation
6.1.3 Temperatursprung mit anschließender Pulsation unter Berücksichtigung der viskosen Dissipation
6.1.4 Eingeschwungene Temperaturpulsation mit Variation von Biot und Fourierzahl
6.2 Aerodynamisch pulsierende Kanalströmung bei konstanter Einlasstemperatur
6.2.1 Sensitivitätsanalyse zur CFL-Zahl
6.2.2 Simulationsergebnisse
7 Zusammenfassung und Ausblick
A OpenFOAM
A.1 URANS
A.2 Rechenfallstruktur
A.3 chtMultiRegionFoam
A.3.1 Ordnerstruktur
A.3.2 Herleitung des Gradienten
A.4 Randbedingungen in OpenFOAM
A.5 Solvermodifikation und Automatisierungsroutinen
A.6 PostProcessing in OpenFOAM
B Weiterführende Details zur thermisch pulsierenden Kanalströmung
B.1 Eingeschwungener Zustand
B.2 Wärmeübergangskoeffizient
B.3 Tabellen zur Sensitivitätsanalyse zu Biot- und Fourierzahl
B.4 Einfluss des axialen Abstands und der Referenztemperatur auf die Dämpfung und Phasenverschiebung der Wandtemperatur zur Fluidtemperatur
C Weiterführende Details zur aerodynamisch pulsierenden Kanalströmung
C.1 Analytische Lösung
C.1.1 Vereinfachungen
C.1.2 Stationäre Lösung
C.2 Umsetzung der analytischen Lösung
C.2.1 Eingeschwungener Zustand
C.2.2 Gleichungssysteme
C.2.3 Wärmestromdichte an der Wand
C.3 ATHTC und EHTC
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit untersucht den transienten konjugierten Wärmeübergang in turbulenten Kanalströmungen. Ziel ist es, das numerische Modellierungspotenzial der Software OpenFOAM für diese komplexen, instationären Prozesse unter Berücksichtigung thermischer und aerodynamischer Pulsationen zu evaluieren und durch den Vergleich mit analytischen Lösungen sowie experimentellen Daten zu validieren.
- Numerische Modellierung des konjugierten Wärmeübergangs (CHT)
- Analyse des Einflusses von Pulsationen auf den Wärmeübergangskoeffizienten
- Sensitivitätsanalyse bezüglich CFL-Zahl, Biot- und Fourierzahl
- Untersuchung der viskosen Dissipation in transienten Strömungen
- Vergleich numerischer Simulationsergebnisse mit analytischen Lösungsansätzen
Auszug aus dem Buch
1.1 Motivation
Die wachsende Nachfrage nach Gasturbinen mit immer höherer Leistung und besserem Wirkungsgrad verlangt unter anderem hohe Turbineneintrittstemperaturen. Dabei treten die heißen Gase aus der Brennkammer mit den kälteren Wänden der Turbinenschlaufeln in Wechselwirkung und bewirken hohe Wandtemperaturen. Die Turbinenschaufeln müssen folglich gekühlt werden, sodass die Wandtemperatur unterhalb der Schmelzgrenze bleibt. Eine genaue Vorhersage der Temperaturverteilung in den Turbinenschaufeln unter den Betriebsbedingungen ist eine wichtige Anforderung der Entwicklung von modernen Gasturbinen.
Da es sich hier um den Wärmeübergang zwischen zwei unterschiedlichen Domänen handelt, muss man beide Wärmetransportmechanismen sowohl im Fluid als auch im Festkörper in Betracht ziehen. Die Herausforderung dabei ist, diese Phänomene an der Kontaktgrenze zu koppeln. Eine Möglichkeit der numerischen Modellierung ist, beide Domänen zunächst entkoppelt zu betrachten. Nachdem man die Strömung mit idealisierten Randbedingungen gelöst hat, berechnet man den Wärmeübergangskoeffizienten. Der Wärmeübergangskoeffizient und eine Referenztemperatur werden dann als Randbedingung auf den Festkörper aufgeprägt, um die Temperaturverteilung im Festkörper zu erhalten. Diese idealisierte Randbedingung vernachlässigt die thermische Wechselwirkung zwischen Strömung und Festkörper. So kann die Strömungstemperatur durch die Wärmeleitung im Festkörper geändert werden, was den Wärmeübergang zwischen den beiden Domänen beeinflusst und eine andere Temperatur im Festkörper bewirkt, was wiederum einen Effekt auf den Wärmeübergang hat.
Ab den 60’er Jahren [38] hat das Interesse an einem konjugierten gekoppelten Ansatz zugenommen. Die Idee war, beide Domänen gleichzeitig zu lösen und über ein iteratives Vorgehen, die Kontinuität der Temperatur und des Wärmestroms zu erfüllen.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Dieses Kapitel motiviert die Untersuchung des konjugierten Wärmeübergangs bei transienten Turbinenströmungen und definiert das Ziel der Arbeit, OpenFOAM für derartige Probleme zu validieren.
2 Physikalische Grundlagen: Hier werden die relevanten Mechanismen der Wärmeübertragung, die Navier-Stokes-Gleichungen und die mathematische Beschreibung des konjugierten Wärmeübergangs sowie dimensionsloser Kennzahlen dargelegt.
3 Numerische Modellierung: Dieses Kapitel erläutert die Turbulenzmodellierung mittels URANS und SST-Modell, die Funktionsweise von OpenFOAM und die Implementierung der CHT-Kopplung.
4 Literaturrecherche: Eine Übersicht über den aktuellen Forschungsstand zu transienten Wärmeübergangsproblemen bei laminaren und turbulenten Strömungen in Kanälen.
5 Numerisches Setup: Beschreibung der Versuchsgeometrie, der Gittererzeugung, der gewählten Randbedingungen und der Stoffwerte für die verschiedenen Materialien.
6 Ergebnisse und Diskussion: Detaillierte Darstellung und Auswertung der Simulationsergebnisse für thermisch und aerodynamisch pulsierende Strömungen inklusive Sensitivitätsanalysen.
7 Zusammenfassung und Ausblick: Fazit der erzielten Ergebnisse zur Eignung von OpenFOAM und Empfehlungen für weiterführende Untersuchungen.
Schlüsselwörter
Konjugierter Wärmeübergang, CHT, OpenFOAM, transiente Strömung, turbulente Strömung, Wärmeübergangskoeffizient, Biotzahl, Fourierzahl, Pulsation, numerische Simulation, URANS, Wandtemperatur, Wärmestromdichte, Grenzschicht, Validierung.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser wissenschaftlichen Arbeit grundlegend?
Die Arbeit untersucht den instationären, konjugierten Wärmeübergang zwischen einem strömenden Fluid und einem angrenzenden Festkörper unter transienten Bedingungen, wie sie in Gasturbinen vorkommen.
Welche zentralen Themenfelder werden bearbeitet?
Zentrale Felder sind die numerische Simulation mit OpenFOAM, die Koppelung von Fluid- und Festkörperdomänen, der Einfluss von Pulsationen der Temperatur oder Geschwindigkeit sowie die theoretische Validierung anhand analytischer Lösungen.
Was ist das primäre Ziel der Forschungsarbeit?
Das Ziel ist die Untersuchung und Modellierung transienter konjugierter Wärmeübergangsprobleme in turbulenten Strömungen mit OpenFOAM, um dessen Eignung als Simulationswerkzeug für derartige Fragestellungen zu belegen.
Welche wissenschaftliche Methode kommt zum Einsatz?
Es werden numerische Strömungssimulationen auf Basis des URANS-Ansatzes durchgeführt, unterstützt durch Sensitivitätsanalysen und Vergleiche mit analytischen Modellen.
Was behandelt der Hauptteil der Arbeit?
Der Hauptteil gliedert sich in die theoretischen Grundlagen, die numerische Modellierung des gekoppelten Problems, eine umfassende Literaturrecherche, das numerische Setup und die detaillierte Diskussion der Simulationsergebnisse.
Welche Schlagworte charakterisieren diese Arbeit am besten?
Typische Schlagworte sind Konjugierter Wärmeübergang (CHT), OpenFOAM, transiente Turbulenz, Biot- und Fourierzahl, Pulsationsfrequenz und numerische Validierung.
Welchen Einfluss hat die viskose Dissipation auf die Ergebnisse?
Die Untersuchung zeigt, dass die viskose Dissipation zu einer leichten Überhöhung der Wandtemperatur führt, wobei dieser Effekt klein gegenüber der treibenden Temperaturdifferenz ist.
Wie wurde die Validierung der Simulationsdaten durchgeführt?
Die Ergebnisse aus OpenFOAM wurden sowohl mit vorhandenen experimentellen Daten als auch mit analytischen Lösungen für transiente konjugierte Wärmeübergangsprobleme verglichen.
Warum wird in dieser Arbeit ein konjugierter Ansatz gewählt?
Ein konjugierter Ansatz ermöglicht es, die thermische Wechselwirkung zwischen Fluid und Festkörper präzise zu erfassen, ohne auf idealisierte, entkoppelte Randbedingungen angewiesen zu sein.
Was sagt die Arbeit über die Wahl der CFL-Zahl aus?
Eine CFL-Zahl von 1 oder kleiner ist notwendig, um numerische Fehler ("zackige Verläufe") bei transienten Simulationen zu minimieren und eine physikalisch korrekte Auflösung der instationären Vorgänge zu erreichen.
- Citar trabajo
- Maha Badri (Autor), 2017, Der konjugierte Wärmeübergang in einer aero-thermisch pulsierenden Kanalströmung mit OpenFOAM und seine numerische Untersuchung, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/491288
