Laser-Doppler- und Hitzdraht-Anemometrie-Messungen entlang V-förmiger angehobener Rippen in einem quadratischen Kanal

Der Einsatz von Rippenstrukturen auf Wärmetauscheroberflächen führt zu einer erhöhten Wärmeübertragung zwischen Arbeitsfluid und Komponentenwand. Eine Möglichkeit lokale Wärmeübertragungsminima infolge von stationär auftretenden Staupunkt- und Rezirkulationsströmungen hinter den Rippen zu vermindern bzw. zu vermeiden, bietet das Anheben der Rippen um kleine Abstände von der thermisch belasteten Wand. In der vorliegenden Arbeit wird das anhand von Geschwindigkeitsmessungen mittels Laser-Doppler-Anemometrie (LDA) und Hitzdraht-Anemometrie (HWA) abgeleitete Strömungsbild einer turbulenten Strömung in einem einseitig mit angehobenen V-förmigen Rippen strukturierten Kanal bei einer (für Hochtemperaturanwendungen typischen) Reynolds-Zahl von Re$_H$ = 5,0 · 10$^4$ diskutiert. ... mehrDas Rippenabstand-Rippenhöhe-Verhältnis war 9, die Verblockungsrate betrug 10% und das Spalthöhe-Rippenhöhe-Verhältnis lag bei 0,5. Die gemessenen mittleren Geschwindigkeitsverläufe und Reynolds-Spannungs-Verläufe deuten auf eine ausgeprägte Dreidimensionalität des Strömungsfeldes oberhalb und unterhalb der Rippe hin. Im Strömungsbereich oberhalb der Rippe bildet sich eine durch die Rippenanstellung induzierte Sekundärströmung aus. Der daraus result-ierende Fluidtransport in Querrichtung führt zu unterschi-edlichen Entwicklungen der an den Rippenhinterkanten ablösenden Scherschichten, wodurch die Reynolds-Normal- und Scherspannungen erheblich in Querrichtung variieren. Durch das aus dem Rippenspalt austretende, aufwärtsgerichtete Fluid wird ein permanentes Wiederanlegen der abgelösten Scherschichten und somit das stationäre Auftreten von Staupunkt- und Rezirkulationsströmungen in Wandnähe verhindert. Darüber hinaus zeigt sich, dass als Folge der hohen Dreidimensionalität des Strömungsfelds und der Rippenreihenkonfiguration die Nachlaufströmung durch ein beim Ablösevorgang der Scherschichten einsetzenden instationären periodischen Strömungsvorgang bestimmt wird. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Einsatz von angehobenen V-förmigen Rippen als Strukturierungsmethode in Kanälen von Wärmetauschern, aufgrund der Vermeidung von Staupunktströmungen sowie einer intensiven konvektiven und turbulenten Durchmischung innerhalb des Rippenzwischenbereichs, zu einer hohen und über die Wärmeübertragungsfläche homogenisierten Wärmeübertragung führen könnten.

Abstract: Rib-roughened heat exchanger surfaces lead to enhanced heat transfer between the working fluid and the component wall and are a common tool for realizing high heat flux densities and high working fluid temperatures without exceeding the component-specific maximum temperatures. To reduce or avoid local heat transfer minima due to stationary stagnation points and recirculation flows the ribs can be raised from the wall by small wall clearances. In the present study, the turbulent flow field derived from laser Doppler anemometry (LDA) and hot-wire anemometry (HWA) velocity measurements in a structured channel with detached V-shaped ribs applied on one wall for a Reynolds number of 5.0 · 10$^4$ is presented. ... mehrThe rib-pitch-to-rib-height ratio was 9, the blocking rate was 10%, and the gap-height-to-rib-height ratio was 0.5. The measured mean velocity profiles and Reynolds stress distributions indicate a pronounced three-dimensional flow field above and below the rib. Within the flow region above the rib, a rib-induced secondary flow field is formed, whose time-averaged structure, symmetrical to the channel center plane, is dominated by two counter-rotating large-scale vortices. Due to the additional fluid transport above the rib, the development of the shear layers detaching at the trailing edges of the rib differs in lateral direction, causing considerable variation of the Reynolds normal and shear stresses. A gap flow with high mean velocity gradients develops beneath the rib. The upwards directed fluid exiting the gap prevents permanent reattachment of the separated shear layers and, thus, the stationary occurrence of a stagnation point and the developmemt of recirculation regions close to the wall are avoided. Furthermore, it is shown that the wake flow is determined by a transient periodic flow process with an onset during the detachment of the shear layers from the rib surfaces. The results indicate that the application of detached V-shaped ribs as a structuring method in heat exchanger ducts can result in high heat transfer that is uniform across the heat transfer surface, due to the avoidance of stagnation flows and due to the occurrence of intense convective and turbulent mixing within the inter-rib spacings.