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Numerische Simulationsverfahren haben in vielen Bereichen der Technik Einzug gehalten, so auch in der Strömungsmechanik. Mit Hilfe der "Computational Fluid Dynamics" (CFD) lassen sich aufwendige Experimente in Wind- bzw. Wasserkanal ganz oder teilweise ersetzen. Dies spart Zeit und Geld. Am Lehrstuhl für Strömungsmechanik (LSTM) Erlangen von Prof. Dr. Dr. h.c. Franz Durst ist es nun im Rahmen des von der Bayerischen Forschungsstiftung geförderten Forschungsverbundes für technisch-wissenschaftliches Hochleistungsrechnen (FORTWIHR) gelungen, mittels CFD die Abweichungen von experimentellen Meßverfahren (Hitzdrahtanemometrie) in wandnahen Strömungsgebieten besser zu verstehen und geeignete Korrekturen vorherzusagen.
Hitzdrähte werden in der experimentellen Strömungsmechanik eingesetzt, um lokale Strömungsgeschwindigkeiten zu messen. Die Kalibrierung der Hitzdrähte erfolgt in freien Strömungen, so daß Messungen in Wandnähe folglich mit Meßfehlern beaufschlagt sind, da die Wandnähe bei der Kalibrierung nicht mit erfaßt wurde. Hitzdrähte in Wandnähe erfordern somit Wandkorrekturen, die je nach Leitfähigkeit des Wandmaterials unterschiedlich sind. Typische Hitzdrähte haben Durchmesser zwischen 0.6 und 60 mm und Temperaturen im Bereich 150-300°C. Aufgrund der beschriebenen Bedingungen und typischer Windkanalgeschwindigkeiten von
5-30 m/s liegt die Reynolds-Zahl der Strömung um einen Hitzdraht im Bereich
0.1 * Re * 100. Unter idealen Bedingungen vereinfacht sich das Problem der Kopplung zwischen Strömung, Geschwindigkeit und Wärmefluß zu einer zweidimensionalen Umströmung eines geheizten Zylinders.
Hauptziel einer kürzlich am LSTM Erlangen durchgeführten Studie war die ausführliche numerische Untersuchung des Wärmeübergangs und der laminaren Umströmung eines 2-D Kreiszylinders unter Bedingungen, die der Umströmung eines Hitzdrahtes entsprechen, insbesondere im Fall einer wandnahen Messung. Um die beschriebene Untersuchung durchführen zu können, war eine Erweiterung des am LSTM vorhandenen Strömungslösers FASTEST-2D notwendig. Da die Berechnungen sehr große Rechengebiete mit hoher Gitterauflösung in der Nähe des Zylinders erforderten, wurde die neue Methode der lokalen Gitterverfeinerung entwickelt und erfolgreich implementiert.
Gegenstand der nachfolgenden numerischen Studie war die Untersuchung des Einflusses des Wandabstands bei Hitzdrahtmessungen in Wandnähe. Für zwei Grenzfälle, nämlich den einer ideal wärmeleitenden und einer isolierenden Wand, konnten Geschwindigkeitskorrekturen zu Hitzdraht-Meßdaten abgeschätzt werden. Die Ergebnisse für den Fall einer ideal wärmeleitenden Wand zeigten gute Übereinstimmung mit verfügbaren experimentellen Daten. Da es sich als vorteilhaft erwies, wurde eine neue Form der Geschwindigkeitskorrektur vorgeschlagen, die den Vorteil hat, für den Fall einer hochleitenden Wand zwischen 0 und 1 begrenzt zu sein. Außerdem vermittelt sie unmittelbar die relative Größe des Wandeinflusses auf die gemessene Scheingeschwindigkeit und zeigt eine geringere Abhängigkeit vom Temperaturverhältnis des Hitzdrahtes.
Der Fall einer isolierenden Wand zeigte unerwartete Ergebnisse. Anstatt höherer Scheingeschwindigkeiten wurden niedrigere Werte vorausgesagt. Dies widersprach früheren experimentellen Ergebnissen. Eine detaillierte Analyse der physikalischen Lösung brachte neue Aspekte dieses komplexen Strömungsproblems zutage. Es wurde gezeigt, daß die vorhandenen experimentellen Ergebnisse aus Messungen mit "nichtleitenden" Wänden eigentlich einer Kombination aus den beiden berechneten Grenzfällen entsprechen, da die Wärmeleitfähigkeiten solcher Wände immer größer sind als die der Luft.
Weitere, geplante Untersuchungen auf diesem Gebiet sollen den Einfluß der Wärmeleitfähigkeit der Wände auf die Geschwindigkeitskorrekturen abschätzen. Dazu wird das gekoppelte Problem - bestehend aus der Strömung um den Zylinder in Wandnähe sowie der Wärmeleitung in der Wand - gelöst. Die zu diesem Themenkomplex erschienenen Veröffentlichungen können bei Bedarf vom LSTM Erlangen angefordert werden.
Dr.-Ing. Michael Breuer
* Kontakt:
Dr.-Ing. Michael Breuer, Prof. Dr. Dr. h.c. Franz Durst
Lehrstuhl für Strömungsmechanik, Cauerstr. 4, 91058 Erlangen
Tel: 09131/85 -29501, Fax: 09131/85 -29503
E-Mail: breuer/durst@lstm.uni-erlangen.de
Dr.-Ing. Carlos Lange
Dept. of Mechanical Engineering, University of Alberta
Edmonton, Alberta, Canada T6G 2G8
E-Mail: carlos.lange@ualberta.ca
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Informationstechnik, Maschinenbau
überregional
Forschungsprojekte
Deutsch
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