On Coherent Structures and Heat Transfer in Inclined Jets in Turbulent Cross-Flow

Stationäre Gasturbinen und Flugtriebwerke sind nach wie vor wichtige Bestandteile in der Energiewandlung beziehungsweise dem Transportwesen. Die Steigerung des thermischen Wirkungsgrades durch eine Erhöhung der Turbineneintrittstemperatur erfordert Verbesserungen im Kühlsystem der Hochtemperaturkomponenten. Die Filmkühlung ist eine wesentliche Methode in diesem Kühlsystem. Die Filmkühlbohrungen verbinden die inneren Kühlkanäle mit der Schaufeloberfläche. Das resultierende Strömungsfeld stellt einen Spezialfall des generischen Strahls in einer Querströmung dar. Um die Filmkühlung gezielt weiter zu verbessern und die wesentlichen Unterschiede zum generischen Strömungsfall zu verstehen, ist eine detaillierte experimentelle Untersuchung des Strömungsfeldes im Mischungsbereich zwischen Heißgas und Kühlluftstrahl erforderlich.
In der vorliegenden Arbeit werden erstmals die kohärenten Strömungsstrukturen für eine sogenannte laidback fan-shaped Bohrung bei maschinenähnlichen Betriebsbedingungen experimentell quantitativ detailliert charakterisiert. Dabei werden maschinenähnliche Temperaturverhältnisse, Ausblaseraten, Heißgasturbulenzgrade und eine parallele und orthogonale kühlluftseitige Anströmung berücksichtigt. ... mehrDetaillierte Messungen mittels stereoskopischer Particle Image Velocimetry werden durchgeführt, um die bereits verfügbaren thermischen Filmkühlgrößen durch hochaufgelöste quasi-volumetrische Geschwindigkeitsdaten am Filmkühlbohrungsaustritt zu ergänzen. Die Messungen werden für drei Ausblaseraten und zwei Kühlluftkanalreynoldszahlen pro Anströmrichtung durchgeführt, woraus sich 12 verschiedene Fälle ergeben.
Für jeden Fall wird das Nah- und Fernfeld des Filmkühlstrahls analysiert, ein detailliertes Verständnis der kohärenten Strömungsstrukturen abgeleitet und der Ursprung dieser Strömungsstrukturen diskutiert. Anhand der vorliegenden Arbeit wird deutlich, dass quasi-volumetrische Strömungsfelddaten erforderlich sind, um die resultierenden kohärenten Strukturen und ihre Entstehung korrekt zu charakterisieren, insbesondere bei orthogonaler Kühlluftanströmung. Nicht alle kohärenten Strukturen, die aufgrund der Ergebnisse aus generischen Untersuchungen erwartet werden, finden sich tatsächlich bei der Filmkühlausblasung unter maschinenähnlichen Randbedingungen wieder.
Darüber hinaus wird der lokale Zusammenhang zwischen den thermischen Filmkühlgrößen und den kohärenten Strömungsstrukturen analysiert. Teils unerwartete Zusammenhänge zwischen der lokalen Verteilung des Verhältnisses der Wärmeübergangskoeffizienten mit und ohne Filmkühlung und den dominanten kohärenten Strömungsstrukturen werden beobachtet. In Verbindung mit den vorangegangenen Forschungsarbeiten legt die vorliegende Arbeit nahe, dass die bedeutendste Steigerung des Wärmeübergangs mit einer instationären Komponente des Nierenwirbelpaares zusammenhängt. Die allgemein diskutierten Gründe für die Erhöhung des Wärmeübergangs spielen eine weniger bedeutende Rolle. Basierend auf diesen Ergebnissen wird der quasi-stationäre Modellierungsansatz für die Änderungen im Wärmeübergang durch Filmkühlung in Frage gestellt. Des Weiteren wird der Einfluss der kohärenten Strukturen auf die lokale Wärmestromminderung und dessen Relevanz für die Auslegung des Kühlsystems diskutiert.
Die vorliegende Arbeit leistet neben dem anwendungsorientierten Forschungsfeld der Filmkühlung auch einen Beitrag zum grundlegenden Verständnis der treibenden Faktoren des Wärmeübergangs stromab der Strahlausblasung.