Der konjugierte Wärmeübergang in einer aero-thermisch pulsierenden Kanalströmung mit OpenFOAM und seine numerische Untersuchung

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

1.1 Motivation

1.2 Ziel der Arbeit

2 Physikalische Grundlagen

2.1 Wärmeübertragung

2.2 Navier-Stokes-Gleichungen

2.2.1 Allgemeine Erhaltungsgleichung

2.2.2 Massenerhaltung

2.2.3 Impulserhaltung

2.2.4 Energieerhaltung

2.3 Laplace Gleichung

2.4 Konjugierter Wärmeübergang (CHT)

2.5 Dimensionslose Zahlen

3 Numerische Modellierung

3.1 Turbulenzmodellierung

3.2 OpenFOAM

3.3 CHT in OpenFOAM

4 Literaturrecherche

4.1 Laminare Strömungen

4.2 Turbulente Strömungen

5 Numerisches Setup

5.1 Geometrie

5.2 Gitter

5.3 Randbedingungen

5.4 Stoffwerte

6 Ergebnisse und Diskussion

6.1 Thermisch pulsierende Kanalströmung bei konstanter Einlassgeschwindigkeit

6.1.1 Sensitivitätsanalyse zur CFL-Zahl

6.1.2 Temperatursprung mit anschließender Pulsation

6.1.3 Temperatursprung mit anschließender Pulsation unter Berücksichtigung der viskosen Dissipation

6.1.4 Eingeschwungene Temperaturpulsation mit Variation von Biot und Fourierzahl

6.2 Aerodynamisch pulsierende Kanalströmung bei konstanter Einlasstemperatur

6.2.1 Sensitivitätsanalyse zur CFL-Zahl

6.2.2 Simulationsergebnisse

7 Zusammenfassung und Ausblick

A OpenFOAM

A.1 URANS

A.2 Rechenfallstruktur

A.3 chtMultiRegionFoam

A.3.1 Ordnerstruktur

A.3.2 Herleitung des Gradienten

A.4 Randbedingungen in OpenFOAM

A.5 Solvermodifikation und Automatisierungsroutinen

A.6 PostProcessing in OpenFOAM

B Weiterführende Details zur thermisch pulsierenden Kanalströmung

B.1 Eingeschwungener Zustand

B.2 Wärmeübergangskoeffizient

B.3 Tabellen zur Sensitivitätsanalyse zu Biot- und Fourierzahl

B.4 Einfluss des axialen Abstands und der Referenztemperatur auf die Dämpfung und Phasenverschiebung der Wandtemperatur zur Fluidtemperatur

C Weiterführende Details zur aerodynamisch pulsierenden Kanalströmung

C.1 Analytische Lösung

C.1.1 Vereinfachungen

C.1.2 Stationäre Lösung

C.2 Umsetzung der analytischen Lösung

C.2.1 Eingeschwungener Zustand

C.2.2 Gleichungssysteme

C.2.3 Wärmestromdichte an der Wand

C.3 ATHTC und EHTC

Zielsetzung & Themen

Die vorliegende Arbeit untersucht den transienten konjugierten Wärmeübergang in turbulenten Kanalströmungen. Ziel ist es, das numerische Modellierungspotenzial der Software OpenFOAM für diese komplexen, instationären Prozesse unter Berücksichtigung thermischer und aerodynamischer Pulsationen zu evaluieren und durch den Vergleich mit analytischen Lösungen sowie experimentellen Daten zu validieren.

• Numerische Modellierung des konjugierten Wärmeübergangs (CHT)
• Analyse des Einflusses von Pulsationen auf den Wärmeübergangskoeffizienten
• Sensitivitätsanalyse bezüglich CFL-Zahl, Biot- und Fourierzahl
• Untersuchung der viskosen Dissipation in transienten Strömungen
• Vergleich numerischer Simulationsergebnisse mit analytischen Lösungsansätzen

Auszug aus dem Buch

Zusammenfassung der Kapitel

1 Einleitung: Dieses Kapitel motiviert die Untersuchung des konjugierten Wärmeübergangs bei transienten Turbinenströmungen und definiert das Ziel der Arbeit, OpenFOAM für derartige Probleme zu validieren.

2 Physikalische Grundlagen: Hier werden die relevanten Mechanismen der Wärmeübertragung, die Navier-Stokes-Gleichungen und die mathematische Beschreibung des konjugierten Wärmeübergangs sowie dimensionsloser Kennzahlen dargelegt.

3 Numerische Modellierung: Dieses Kapitel erläutert die Turbulenzmodellierung mittels URANS und SST-Modell, die Funktionsweise von OpenFOAM und die Implementierung der CHT-Kopplung.

4 Literaturrecherche: Eine Übersicht über den aktuellen Forschungsstand zu transienten Wärmeübergangsproblemen bei laminaren und turbulenten Strömungen in Kanälen.

5 Numerisches Setup: Beschreibung der Versuchsgeometrie, der Gittererzeugung, der gewählten Randbedingungen und der Stoffwerte für die verschiedenen Materialien.

6 Ergebnisse und Diskussion: Detaillierte Darstellung und Auswertung der Simulationsergebnisse für thermisch und aerodynamisch pulsierende Strömungen inklusive Sensitivitätsanalysen.

7 Zusammenfassung und Ausblick: Fazit der erzielten Ergebnisse zur Eignung von OpenFOAM und Empfehlungen für weiterführende Untersuchungen.

Schlüsselwörter

Konjugierter Wärmeübergang, CHT, OpenFOAM, transiente Strömung, turbulente Strömung, Wärmeübergangskoeffizient, Biotzahl, Fourierzahl, Pulsation, numerische Simulation, URANS, Wandtemperatur, Wärmestromdichte, Grenzschicht, Validierung.

Häufig gestellte Fragen

Worum geht es in dieser wissenschaftlichen Arbeit grundlegend?

Die Arbeit untersucht den instationären, konjugierten Wärmeübergang zwischen einem strömenden Fluid und einem angrenzenden Festkörper unter transienten Bedingungen, wie sie in Gasturbinen vorkommen.

Welche zentralen Themenfelder werden bearbeitet?

Zentrale Felder sind die numerische Simulation mit OpenFOAM, die Koppelung von Fluid- und Festkörperdomänen, der Einfluss von Pulsationen der Temperatur oder Geschwindigkeit sowie die theoretische Validierung anhand analytischer Lösungen.

Was ist das primäre Ziel der Forschungsarbeit?

Das Ziel ist die Untersuchung und Modellierung transienter konjugierter Wärmeübergangsprobleme in turbulenten Strömungen mit OpenFOAM, um dessen Eignung als Simulationswerkzeug für derartige Fragestellungen zu belegen.

Welche wissenschaftliche Methode kommt zum Einsatz?

Es werden numerische Strömungssimulationen auf Basis des URANS-Ansatzes durchgeführt, unterstützt durch Sensitivitätsanalysen und Vergleiche mit analytischen Modellen.

Was behandelt der Hauptteil der Arbeit?

Der Hauptteil gliedert sich in die theoretischen Grundlagen, die numerische Modellierung des gekoppelten Problems, eine umfassende Literaturrecherche, das numerische Setup und die detaillierte Diskussion der Simulationsergebnisse.

Welche Schlagworte charakterisieren diese Arbeit am besten?

Typische Schlagworte sind Konjugierter Wärmeübergang (CHT), OpenFOAM, transiente Turbulenz, Biot- und Fourierzahl, Pulsationsfrequenz und numerische Validierung.

Welchen Einfluss hat die viskose Dissipation auf die Ergebnisse?

Die Untersuchung zeigt, dass die viskose Dissipation zu einer leichten Überhöhung der Wandtemperatur führt, wobei dieser Effekt klein gegenüber der treibenden Temperaturdifferenz ist.

Wie wurde die Validierung der Simulationsdaten durchgeführt?

Die Ergebnisse aus OpenFOAM wurden sowohl mit vorhandenen experimentellen Daten als auch mit analytischen Lösungen für transiente konjugierte Wärmeübergangsprobleme verglichen.

Warum wird in dieser Arbeit ein konjugierter Ansatz gewählt?

Ein konjugierter Ansatz ermöglicht es, die thermische Wechselwirkung zwischen Fluid und Festkörper präzise zu erfassen, ohne auf idealisierte, entkoppelte Randbedingungen angewiesen zu sein.

Was sagt die Arbeit über die Wahl der CFL-Zahl aus?

Eine CFL-Zahl von 1 oder kleiner ist notwendig, um numerische Fehler ("zackige Verläufe") bei transienten Simulationen zu minimieren und eine physikalisch korrekte Auflösung der instationären Vorgänge zu erreichen.