Experimentelle Untersuchungen zur Effizienzsteigerung von Prallkühlkonfigurationen durch dynamische Ringwirbel hoher Amplitude

In der Vergangenheit haben einzelne Forschungsarbeiten gezeigt, dass der konvektive Wärmeübergang von Einzelprallstrahlen prinzipiell durch die Generierung dynamischer Ringwirbel gesteigert werden kann. Bisher wurde jedoch kein systematischer Zusammenhang zwischen den Anregeparametern Frequenz und Amplitude auf der einen Seite und den resultierenden dynamischen Strahl- und Wandeffekten sowie dem daran gekoppelten, konvektiven Wärmeübergang auf der anderen Seite entwickelt. Die vorliegende Arbeit beschreibt umfassende experimentelle Untersuchungen zum Einfluss aktiv generierter Ringwirbel variabler Frequenz und Amplitude auf das Strömungsfeld und den resultierenden konvektiven Wärmeübergang von Prallstrahlen. Die quantifizierenden Versuchsreihen wurden zunächst mit einer generischen, aus drei Düsen bestehenden Linienarraykonfiguration an einer isotherm beheizten, ebenen Prallplatte mit Kanalbegrenzung durchgeführt und durch Experimente an einem intern gekühlten Profilmodell mit Flächenarray, gekrümmter Prallfläche und inhomogen verteiltem äußeren Wandwärmestrom im Thermowindkanal des Instituts für Luftund Raumfahrt der TU-Berlin ergänzt. Die Ergebnisse zeigen, dass bei Verwendung von Wirbelringen erhebliche Steigerungsraten der Kühleffektivität erzielt werden können. Da sich die periodisch generierten Ringwirbel frequenzund amplitudenabhängig gegenseitig beeinflussen, ist die Kombination beider Anregeparameter entscheidend. Im Maximum wurden an der generischen Konfiguration mit Linienarray Effizienzsteigerungen von über 40% bei einer Amplitude von AMP = 1.34 und einer Strouhalzahl von Sr = 0.84 und am Profilmodell mit Flächenarray von über 30% bei der Kombination AMP = 0.9 und Sr = 0.9 erreicht.