 | Gernoth A. Untersuchung der Turbulenzmodellierung von rauen Rechteckkanalströmungen mit Berücksichtigung der Oberflächenverformung im Hinblick auf die Anwendung in Raketenmotoren / Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Raumfahrtsysteme, Lampoldshausen. - Köln: DLR, Bibliotheks- und Informationswesen, 2014. - XXI, 163 S.: Ill. - (Forschungsbericht; 2014-07). - Bibliogr.: S.131-139. - ISSN 1434-8454
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Abbildungsverzeichnis ......................................... xiv
Tabellenverzeichnis .......................................... xvii
1 Einleitung ................................................... 1
1.1 Übersicht ............................................... 1
1.2 Historie der Ariane 5 ECA und Motivation dieser Arbeit .. 5
1.3 Stand der Technik ....................................... 6
2 Experimenteller Aufbau ...................................... 11
2.1 Prüf Standskomponenten ................................. 11
2.1.1 Prüf Standssteuerung ............................ 11
2.1.2 Wärmestromgenerator ............................. 12
2.1.3 Oberflächentemperatur ........................... 15
2.1.4 Oberflächenverformung ........................... 15
2.1.5 Fluidsystem ..................................... 15
2.2 Prüfling ............................................... 18
2.2.1 Aufbau und Herstellung .......................... 18
2.2.2 Spektrale Eigenschaften der Beschichtung ........ 21
2.2.3 Kanaloberfläche ................................. 24
3 Theoretische Grundlagen ..................................... 27
3.1 Druckverlust und Rauheitsbestimmung .................... 27
3.1.1 Laminarer Strömungsbereich ...................... 28
3.1.2 Turbulenter Strömungsbereich .................... 28
3.1.3 Kompressibilitätseffekte ........................ 34
3.1.4 Einlauflänge .................................... 36
3.2 Wärmeübergangsbestimmung ............................... 36
3.2.1 Normiertes Temperaturprofil ..................... 37
3.2.2 Korrelationen zur Beschreibung des
Wärmeübergangs .................................. 39
3.3 Einfluss der Rechteckform .............................. 41
3.3.1 Einfluss der asymmetrischen Wärmelast ........... 43
3.4 Stoffwerte der verwendeten Medien bzw. Materialien .... 43
3.4.1 Kühlmedium Stickstoff ........................... 43
3.4.2 Wandmaterial Inconel 600 ........................ 46
4 Numerische Grundlagen ....................................... 47
4.1 Grandgleichungen einer turbulenten Strömung ............ 48
4.1.1 Erhaltungsgleichungen ........................... 48
4.1.2 Zustandsgieichungen ............................. 49
4.2 Turbulenzmodellierung .................................. 50
4.2.1 Wirbelviskositätsmodelle ........................ 50
4.2.2 Reynolds-Spannungs-Modelle (RSM) ................ 53
4.3 Modellierung der wandnahen Bereiche .................... 56
4.3.1 Randbedingungen an der glatten Wand ............. 56
4.3.2 Rauheitsmodellierung ............................ 57
4.4 Diskretisierung, Verfahren und Konvergenz .............. 58
5 Bestimmung der äquivalenten Sandrauheit ..................... 61
5.1 Experimentelles Vorgehen ............................... 61
5.1.1 Messverfahren und Messgenauigkeit ............... 61
5.1.2 Bestimmung der dimensionslosen Größen ........... 62
5.1.3 Untersuchung der Randbedingungen bei der
Bestimmung der Rohrreibungszahl ................. 66
5.2 Experimentelle Ergebnisse .............................. 67
5.2.1 Rohrreibungszahl ................................ 67
5.2.2 Äquivalente Sandrauheit ......................... 69
5.2.3 Übergangsbereich zwischen glattem und rauem
Strömungszustand ................................ 70
5.3 Numerische Ergebnisse .................................. 71
5.3.1 Randbedingungen und diskretisiertes Modell ...... 71
5.3.2 Simulationsergebnisse ........................... 72
6 Wärmeübergang bei Fluidtemperaturen im
Umgebungstemperaturbereich .................................. 77
6.1 Experimentelles Vorgehen ............................... 77
6.1.1 Messverfahren und eingesetzte Methode ........... 77
6.1.2 Beurteilung der für die Simulation und
Auswertung angenommenen Randbedingungen ......... 79
6.1.3 Bestimmung des Wärmeübergangskoeffizienten
und der Nusseltzahl ............................. 82
6.1.4 Bestimmung der absorbierten Leistung ............ 84
6.1.5 Messunsicherheitsanalyse ........................ 84
6.2 Wärmeübergang bei geringen
Temperaturdifferenzen ohne plastische Deformation ...... 85
6.2.1 Experimentelle Ergebnisse zum Wärmeübergang ..... 86
6.2.2 Vergleich der Rohrreibungszahlen ................ 89
6.2.3 Thermische Einlauflänge ......................... 90
6.2.4 Korrelationsvergleich ........................... 90
6.2.5 Temperaturverlauf auf der Prüflingsoberseite .... 91
6.3 Ergebnisse der Simulationen des Wärmeübergangs ........ 97
6.3.1 Diskretisiertes Modell zur Simulation des
Wärmeübergangs .................................. 98
6.3.2 Ergebnisse ...................................... 98
7 Wärmeübergang bei hohen Temperaturgradienten ............... 109
7.1 Randbedingungen, Messunsicherheit und
Ursprungsgeometrie .................................... 109
7.1.1 Randbedingungen ................................ 109
7.1.2 Messunsicherheitsanalyse ....................... 111
7.1.3 Urzustand des Prüflings vor der
Wärmebelastung ................................. 112
7.2 Experimentelle und numerische Ergebnisse .............. 112
7.2.1 Oberflächenverformung des Prüflings ............ 112
7.2.2 Transienter Verlauf der Laserleistung .......... 113
7.2.3 Oberflächentemperaturverlauf ................... 114
7.2.4 Maximale Oberflächentemperatur ................. 115
7.2.5 Vergleich zwischen experimentellen und
numerischen Ergebnissen ........................ 115
7.2.6 Maximale Oberflächentemperatur ................. 115
7.2.7 Quertemperaturverlauf .......................... 116
7.2.8 Druckverlustbestimmung ......................... 117
8 Zusammenfassung und Diskussion der Ergebnisse .............. 119
9 Zusammenfassung und Ausblick ............................... 127
Literaturverzeichnis ....................................... 129
A Zusätzliche Gleichungen .................................... 141
A.1 Mittelwert ............................................ 141
A.2 Standardabweichung bzw. Streuung ...................... 141
A.3 Nabla-Operator ........................................ 141
A.4 Kinematische Viskosität ............................... 141
A.5 Berechnung der notwendigen Größe zur Bestimmung
des effektiven hydraulischen Durchmessers ............. 141
В Vergleichsrechnungen, Konvergenzstudien und Messdaten ...... 143
B.1 Vergleichsrechnungen kompressibler und
inkompressibler Strömungen und Netzkonvergenzstudie ... 143
B.l.l Vergleichsrechungen inkompressibler
Strömungen .................................... 143
B.1.2 Vergleichsrechnungen kompressibler Strömungen .. 143
В.1.3 Netzkonvergenzstudie ........................... 144
В.2 Messdaten für die Druckverlustsimulation .............. 146
B.3 Drackverlustergebnisse für die Prüflinge .............. 147
B.4 Netzkonvergenzstudie für die Druckverlustbestimmung ... 149
B.5 Experimentelle Ergebnisse für die Berechnung des
Wärmeübergangs ........................................ 150
B.5.1 Prüfling I ..................................... 150
B.5.2 Prüfling II .................................... 153
С Digitalaufnahmen des Prüfstands und der Prüflinge .......... 157
C.l Prüf Standsaufnahmen .................................. 157
C.2 Prüflingsaufnahmen .................................... 161
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