Numerische Untersuchung des Wärmeübergangs und des Strömungsfeldes in einem berippten Rechteckskanal

Kurzfassung

Die hohe thermische Belastung von Turbinen-(Leit)schaufeln wird unter anderem durch spezielle Kühlkanäle in der Schaufel reduziert. Diese Kanäle werden mit Rippen versehen, die zum einen eine Sekundärströmung anregen und zum anderen die Turbulenz intensivieren, wodurch der Wärmeübergang und somit die Kühlung verbessert wird. Die folgende Bachelorarbeit befasst sich mit der numerischen Untersuchung des Wärmeübergangs und des Strömungsfeldes in einem berippten Rechteckskanal. Dabei wurde untersucht, welche Auswirkungen Kühlrippen auf den Wärmeübergang haben. Es wurde eine Literaturrecherche in Bezug auf experimentelle und numerische Untersuchungen des Strömungs- und Temperaturfeldes von Kühlkanälen durchgeführt. Es kam dabei heraus, dass die meisten Turbulenzmodelle sowohl das Temperaturfeld als auch das Geschwindigkeitsfeld eines Kühlkanals mit Rippen gut vorhersagen können. Des Weiteren wurde eine generische Rippenkonfiguration mit dem DLR Strömungslöser TRACE simuliert. Das numerische Modell wurde hinsichtlich Randbedingungen, numerischer Parameter und Gitterunabhängigkeit (GCI-Methode) untersucht. Das Verhältnis p/e beträgt 10 und das Verhältnis e/H beträgt 0,105. Die Reynoldszahl liegt bei 29193 und die Eintrittstemperatur beträgt 300K. Der resultierende Massenstrom beträgt 41,7 g/s. Die Temperatur der beheizten Bodenplatte beträgt 315K und die restlichen Wände und die Rippen werden als adiabat betrachtet. Die Gitterstudie hat ergeben, dass sowohl die Qualität des Gitters als auch die Konvergenz der Simulation mehr als ausreichend sind. Aus der Auswertung der Simulationsergebnisse geht hervor, dass die Turbulenzmodelle die zu erwartenden Wirbelstrukturen darstellen. Bei der Vorhersage des Wärmeübergangs gibt es Unterschiede von bis zu 26 % zwischen den Turbulenzmodellen und bei der Vorhersage des Wideranlegungspunktes gibt es Unterschiede von bis zu 15 %. Ziel der Arbeit ist es, durch das Abgleichen mit den experimentellen Daten ein vollständiges Bild der Strömung zu erhalten. Ein weiteres Ziel ist die Validierung des Strömungslösers TRACE.