Modellierung des Wärmetransports in periodischen offenzelligen Strukturen bei einphasiger, laminarer Durchströmung

Periodische offenzellige Strukturen gehören einer Unterklasse poröser Medien an, die aus einer sich räumlich wiederholenden Anordnung von Einheitszellen besteht. Hinsichtlich der Gestaltung dieser Einheitszellen weisen sie einen großen Designfreiraum auf, der z.B. eine anwendungsorientierte Anpassung für den Einsatz in Wärmeübertragern erlaubt. Dazu ist jedoch eine genaue Kenntnis der Zusammenhänge zwischen der Geometrie und den daraus resultierenden thermischen und hydrodynamischen Eigenschaften erforderlich.
Aus diesem Grund werden im Rahmen dieser Arbeit numerische Simulationsmodelle zur Untersuchung der Wärme- und Impulstransportprozesse in einphasig, laminar durchströmten periodischen offenzelligen Strukturen erstellt. ... mehrNach eingehender Prüfung der Simulationsmodelle werden diese auf sechs unterschiedliche Einheitszellengeometrien mit vier verschiedenen Porositätswerten im Bereich von 59% bis 92% angewendet und die vorliegenden Strömungsregime, der Druckverlust, der Wärmeübergangs- sowie der Wärmedurchgangskoeffizient analysiert. Auf Basis der Ergebnisse werden anschließend Berechnungsmodelle erstellt, die eine Vorhersage der oben genannten Zielgrößen anhand der Geometrie periodisch offenzelliger Strukturen sowie der verwendeten Betriebsparameter erlauben.

Periodic open cellular structures belong to a subclass of porous media that consists of a spatially repeating arrangement of unit cells. With regard to the design of these unit cells, they have a large degree of design freedom, which allows, for example, application-oriented adaptation for use in heat exchangers. However, this requires precise knowledge of the relationships between the geometry and the resulting thermal and hydrodynamic properties.
For this reason, numerical simulation models for the investigation of the heat and momentum transport processes during single-phase, laminar flow through periodic open cellular structures are created in this work. ... mehrAfter thorough testing of the simulation models, they are applied to six different unit cell geometries with four different porosity values ranging from 59% to 92%. The existing flow regimes, the pressure loss, the heat transfer coefficient and the overall heat transfer coefficient are analyzed. The results are then utilized to create calculation models that allow the above-mentioned target variables to be predicted based on the geometry of the periodic open cellular structures and the operating parameters used.