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
- Kurzzusammenfassung
- Inhaltsverzeichnis
- Abbildungsverzeichnis
- Tabellenverzeichnis
- Symbolverzeichnis
- 1 Einleitung
- 1.1 Motivation
- 1.2 Ziel der Arbeit
- 2 Physikalische Grundlagen
- 2.1 Navier-Stokes-Gleichungen
- 2.1.1 Allgemeine Erhaltungsgleichung
- 2.1.2 Massenerhaltung
- 2.1.3 Impulserhaltung
- 2.1.4 Energieerhaltung
- 2.2 Wärmeübertragung
- 2.2.1 Laplace Gleichung
- 2.2.2 Konjugierter Wärmeübergang (CHT)
- 2.2.3 Dimensionslose Zahlen
- 2.3 Turbulenzmodellierung
- 2.4 OpenFOAM
- 2.5 CHT in OpenFOAM
- 2.1 Navier-Stokes-Gleichungen
- 3 Literaturrecherche
- 3.1 Laminare Strömungen
- 3.2 Turbulente Strömungen
- 4 Numerisches Setup
- 4.1 Geometrie
- 4.2 Gitter
- 4.3 Randbedingungen
- 4.4 Stoffwerte
- 5 Ergebnisse und Diskussion
- 5.1 Thermisch pulsierende Kanalströmung bei konstanter Einlassgeschwindigkeit
- 5.1.1 Sensitivitätsanalyse zur CFL-Zahl
- 5.1.2 Temperatursprung mit anschließender Pulsation
- 5.1.3 Temperatursprung mit anschließender Pulsation unter Berücksichtigung der viskosen Dissipation
- 5.1.4 Eingeschwungene Temperaturpulsation mit Variation von Biot- und Fourierzahl
- 5.2 Aerodynamisch pulsierende Kanalströmung bei konstanter Einlasstemperatur
- 5.2.1 Sensitivitätsanalyse zur CFL-Zahl
- 5.2.2 Simulationsergebnisse
- 5.1 Thermisch pulsierende Kanalströmung bei konstanter Einlassgeschwindigkeit
- 6 Zusammenfassung und Ausblick
- Literaturverzeichnis
- 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
- C.1 Analytische Lösung
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Diese Arbeit befasst sich mit der numerischen Untersuchung des konjugierten Wärmeübergangs in einer aerodynamisch und thermisch pulsierenden Kanalströmung. Ziel ist es, das Verhalten des Wärmeübergangs unter transienten Bedingungen mithilfe des Simulationstools OpenFOAM zu analysieren und die Ergebnisse mit analytischen Lösungen zu vergleichen.
- Konjugierter Wärmeübergang (CHT) in einer Kanalströmung
- Thermisch und aerodynamisch pulsierende Strömung
- Validierung der numerischen Ergebnisse durch Vergleich mit analytischen Lösungen
- Untersuchung des Einflusses von Biot- und Fourierzahlen auf den Wärmeübergang
- Anwendungen von OpenFOAM für die Simulation von CHT-Problemen
Zusammenfassung der Kapitel
- Kapitel 1: Die Einleitung stellt die Motivation und das Ziel der Arbeit vor. Sie führt in das Thema des konjugierten Wärmeübergangs ein und erläutert die Bedeutung der untersuchten Problematik.
- Kapitel 2: Dieses Kapitel behandelt die physikalischen Grundlagen des konjugierten Wärmeübergangs. Es werden die Navier-Stokes-Gleichungen, die Wärmeleitungsgleichung und die relevanten dimensionslosen Zahlen diskutiert.
- Kapitel 3: In diesem Kapitel werden die numerischen Modellierungsmethoden vorgestellt, die für die Untersuchung des konjugierten Wärmeübergangs verwendet wurden. Es wird die Turbulenzmodellierung und die Funktionsweise des Simulationstools OpenFOAM erläutert.
- Kapitel 4: Dieses Kapitel präsentiert die Ergebnisse der durchgeführten Literaturrecherche zum Thema des transienten Wärmeübergangs. Es werden verschiedene Publikationen vorgestellt und nach ihren Eigenschaften sortiert.
- Kapitel 5: In diesem Kapitel werden die Ergebnisse der numerischen Simulationen der thermisch und aerodynamisch pulsierenden Kanalströmung diskutiert. Die Simulationsergebnisse werden mit analytischen Lösungen verglichen und die Auswirkungen von verschiedenen Parametern untersucht.
Schlüsselwörter
Konjugierter Wärmeübergang, Kanalströmung, thermische Pulsation, aerodynamische Pulsation, OpenFOAM, Biot-Zahl, Fourier-Zahl, transient, numerische Simulation, analytische Lösung, Validierung, Vergleich, Wärmeübergangskoeffizient.
- Arbeit zitieren
- Maha Badri (Autor:in), 2017, Der konjugierte Wärmeübergang in einer aero-thermisch pulsierenden Kanalströmung mit OpenFOAM und seine numerische Untersuchung, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/491288
