Ermittlung Turbulenzparameter strukturierter Rohre
Bestimmung von Turbulenzparametern in strukturierten geraden Rohren zur Optimierung des Wärmeübergangs
Turbulenz in einer Strömung ist dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund des Transports und der Überlagerung von Wirbeln unterschiedlicher Größe und Frequenz örtlich die Zustandsgröße Strömungsgeschwindigkeit nicht als zeitlich konstanter Wert, sondern aus einem Mittelwert und einer zusätzlich vorhandenen Schwankungsgröße ergibt. Die Schwankung im Messwert wird durch die vorbeiströmenden Wirbel hervorgerufen. Die Größe der Schwankung (ähnlich einer Amplitude) entspricht hierbei der Stärke der Turbulenz, die sog. Turbulenzintensität.
Die Turbulenzintensität am Eintritt beeinflusst bei manchen Anwendungen das Verhalten der Strömung im Inneren des Systems. In der Praxis ist allerdings die Turbulenzintensität für Systeme oder deren Ränder nur selten bekannt, da eine Messung (über große Frequenzbereiche hinweg - bis über 100 Hz hinaus) recht aufwändig ist und Sensoren die Messung beeinflussen können. Optische Verfahren ohne mechanischen Effekt auf das Fluid sind hier zielführend und können eine zeitlich hoch aufgelöste Aussage zu dem Turbulenzspektrum liefern.
Die Laser-Doppler Anemometrie ist geeignet und wird in der FGET eingesetzt. Ein Laser-Strahl wird durch eine Optik in zwei identische Strahlen aufgespalten und an einer gewählten Position, der Messstelle, unter einem spitzen Winkel zu Kreuzung gebracht. Im Schnittvolumen entsteht aufgrund von Interferenz ein Streifenmuster, in welchen hindurchströmende Partikel ein Aufblinken hervorrufen, was wiederum von Sensoren gemessen und in die örtliche Strömungsgeschwindigkeit umgerechnet wird. Dieser Prozess erfolgt aufgrund leistungsfähiger Elektronik sehr schnell.
Aus der Frequenz der Helligkeitsänderungen kann man eine Frequenz und damit eine Strömungsgeschwindigkeit in der Messrichtung bestimmen. Die Messung erfolgt dabei Dutzende bis Hunderte Male pro Sekunde.
Aus einer statistischen Auswertung dieser gemessenen Geschwindigkeiten ergibt sich die Turbulenzintensität, welche zur Beurteilung des Wärmeübergangs und anschließenden Optimierung verwendet werden kann.
Bei der Untersuchung oder auch Optimimerung von Energiesystemen, die mit Fluiden betrieben werden, kommen häufig Computermethoden zum Einsatz. Hier wird je nach Fragestellung auf Systemmodellierung oder 3D CFD zurückgegriffen.
Die oben beschriebenen Messungen dienen auch der Verifikation von Computermodellen. In den Modellen lassen sich im Allgemeinen einzelne Parameter einfacher und schneller variieren, als das in der Realität möglich ist, insbesondere wenn es sich um wesentliche Geometrieänderungen handelt.
Für die Verbesserung des Wärmeübergangs in Rohren kann man auf Strukturierung der Rohrwand zurückgreifen. Es werden Unebenheiten oder Taschen in die Rohre (meist Stahlrohre) geprägt, die dann die Strömung so verändert, dass der Wärmeübergang verbessert wird, ohne dass der Druckverlust überproportional ansteigt.
Für die dargestellte Geometrie und Messlinie, die senkrecht zur Wand definiert wurde, ergibt sich eine sehr gute Übereinstimmung von Berechnung im CFD Modell und Messung mit Hilfe der LDA.
