Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5171
Main Title: Experimentelle Untersuchung von Ringwirbeln und deren Interaktion mit einer ebenen Prallplatte bei überlagerter Querströmung
Translated Title: Experimental investigation of vortex rings in crossflow impinging on a flat plate
Author(s): Kroll, Henning
Advisor(s): Nitsche, Wolfgang
Referee(s): Nitsche, Wolfgang
Swoboda, Marius
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: Um den Wirkungsgrad von modernen Flugantrieben durch eine Anhebung der Turbineneintrittstemperatur weiter steigern zu können, sind innovative Kühlkonzepte für thermisch hochbelastete Turbinenbeschaufelungen erforderlich. Eine leistungsfähige, konvektive und bauteilinterne Kühlmethode stellt die stationäre Prallkühlung dar, bei der die Kühlluft in Form von kontinuierlichen Prallstrahlen auf die Bauteilstruktur trifft und einen hohen lokalen Wärmeübergang an der Wand hervorruft. In der Vergangenheit haben einzelne Forschungsarbeiten gezeigt, dass der konvektive Wärmeübergang infolge einer Pulsation der Kühlluftzufuhr durch das Ausnutzen von Ringwirbelstrukturen erheblich gesteigert werden kann. Strömungsphysikalisch liegt den erzielbaren Steigerungsraten in der Kühleffektivität eine periodische Erneuerung der thermischen Wandgrenzschicht zu Grunde. In realen Konfigurationen werden die Prallstrahlen zur flächigen Kühlung im Array-Verbund betrieben und es kommt durch die Kühlluftabfuhr aus dem Schaufelinneren zwangsläufig zu einer Überlagerung der einzelnen Prallströmungen mit einem Querstrom und zu einer starken Modifikation des Strömungsfelds. In der vorliegenden Arbeit wird daher das Ziel verfolgt, die Auswirkungen einer Querströmung auf die Formierung und die Entwicklung von Ringwirbelstrukturen, die auf eine ebene Prallfläche treffen, zu untersuchen und auf Grundlage der Wirbel-Wand-Interaktion Rückschlüsse auf die erzielbare Kühlwirkung zu ziehen. An einer generischen Versuchskonfiguration wurden hierfür sowohl einzelne als auch periodisch erzeugte Ringwirbel bei variablem Geschwindigkeits- und Hubverhältnis sowie bei unterschiedlichen Wirbelfolgefrequenzen betrachtet. Auf Basis von zeitlich hochaufgelösten PIV-Messungen wurde eine detaillierte Strömungsfeldanalyse durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Dynamik der einzelnen Ringwirbel stark von Geschwindigkeitsverhältnis und Hubverhältnis abhängt und an die Topologie des Strömungsfeldes gekoppelt ist. Weiterhin lässt sich aus den Ergebnissen ableiten, dass die effizienteste Kühlwirkung durch gesättigte Ringwirbel ohne Wirbelnachlauf in Kombination mit relativ hohen Wirbelfolgefrequenzen erzielt wird. Ein Nachlauf hinter den Ringwirbelstrukturen wirkt sich abschwächend auf die Wirbel-Wand-Interaktion aus. Das Hubverhältnis sollte in diesem Zusammenhang das transition stroke ratio (TSR) nicht übersteigen und hängt daher stark von dem jeweils vorherrschenden Geschwindigkeitsverhältnis ab.
In order to enhance the efficiency of modern aircraft jet engines by increasing the turbine entry temperature, sophisticated cooling concepts are necessary to deal with excessive thermal loads on the outer wall sections of the turbine blades. The standard type impingement cooling system displays a powerful cooling method applied in the interior of guide vane blades using a steady coolant supply and yielding high local heat transfer rates at the wall. Individual studies in the past have shown increasing heat transfer rates as a result of a pulsatile coolant supply. The underlying phenomena are based on the connection of enhanced heat transfer rates and the periodic renewal of the thermal boundary layer due to the impingement of large-scale ring vortices on the surface. In real impingement cooling configurations arrays of impinging jets are being used. Maintaining the coolant outflow condition in the interior of the blades subjects the impinging jets to crossflow superimposed on the flow field of the transverse jets and the overall flow topology modifies significantly. The present work focuses on the impact of crossflow superimposed on individual and periodically generated vortex rings impinging on a flat plate within a generic configuration. By means of time resolved PIV measurements the corresponding vortex formations were inspected with regard to the development of the vortices and to the key features of the vortex-wall interactions which are to a large extent connected to the overall cooling performance. Different jet-to-crossflow velocity ratios and variable stroke ratios were realized. The results show that the dynamical behavior of the vortices is related to the flow topology and strongly depends on both, the velocity and the stroke ratio. Beyond that it can be inferred from the results, that a combination of saturated vortex rings generated without trailing column and rather high pulsation frequencies yield the most effective cooling performance. The presence of a trailing column causes attenuation of vortex-to-wall interaction and should be avoided in favor of local heat transfer enhancement. Thus the stroke ratio in particular should not exceed the transition stroke ratio (TSR) and strongly depends on the velocity ratio.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5542
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5171
Exam Date: 18-Mar-2016
Issue Date: 2016
Date Available: 9-Jun-2016
DDC Class: DDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::629 Andere Fachrichtungen der Ingenieurwissenschaften
Subject(s): vortex rings
impingement cooling
crossflow
heat transfer
particle image velocimetry
Ringwirbel
Prallkühlung
Querströmung
Wärmeübergang
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