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.


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    Titel :

    Experimentelle Untersuchung von Ringwirbeln und deren Interaktion mit einer ebenen Prallplatte bei überlagerter Querströmung


    Weitere Titelangaben:

    Experimental investigation of vortex rings in crossflow impinging on a flat plate


    Beteiligte:
    Kroll, Henning (Autor:in)

    Erscheinungsdatum :

    2016



    Medientyp :

    Sonstige


    Format :

    Elektronische Ressource


    Sprache :

    Deutsch



    Klassifikation :

    DDC:    629