M. Hufnagel, T. Pychynski, F. Bleier, H.-J. Bauer

Diese Arbeit behandelt die Erstellung, die Validierung und den Einsatz eines numerischen Modells zur Berechnung des konjugierten Wärmeübergangs in einem axial durchströmten Konusspalt mit rotierender Innenwand. Diese Strömungsart verhält sich ähnlich einer Taylor-Couette-Poiseuille-Strömung in Zylinderspalten. Ein Kühlkonzept für den Rotor sieht die Eindüsung von Luft durch in Umfangsrichtung angestellte Bohrungen in der Außenwand des Konusspalts vor. Das Hauptziel ist die Charakterisierung des Effekts des Vordralls der eingedüsten Kühlluft auf die lokale und globale Wärmeübertragung im Konusspalt. Die Validierung des Modells erfolgt anhand einer Nachrechnung eines experimentellen Referenzfalls aus der Literatur. An dem Validierungsfall wird gezeigt, dass die Aerodynamik und der Wärmeübergang in einer Taylor-Couette-Poiseuille-Strömung unter Verwendung einer RANS-Simulation in guter Näherung approximiert werden können. Im Rahmen einer Parameterstudie werden für den konischen Spalt zwei Variationen des Vordralls untersucht. Dabei wird bei sinkendem Vordrall neben einem erhöhten Wärmeübergang auch ein Anstieg der Fluidtemperatur beobachtet. Dies ist auf eine stärkere Reibungsaufheizung innerhalb des Fluids aufgrund höherer Relativgeschwindigkeiten zwischen eingedüster und bereits im System mitrotierender Luft zurückzuführen.

This work addresses the creation, validation, and application of a numerical model for calculating the conjugate heat transfer in an axially flowing conical gap with a rotating inner wall. This flow pattern behaves similarly to a Taylor-Couette-Poiseuille flow in cylindrical gaps. A cooling concept for the rotor involves injecting air through circumferentially angled bores in the outer wall of the conical gap. The main objective is to characterize the effect of the pre-swirl of the injected cooling air on the local and global heat transfer in the conical gap. The model is validated by recalculating an experimental reference case from the literature. Using this validation case, it is demonstrated that the aerodynamics and heat transfer in a Taylor-Couette-Poiseuille flow can be approximated to a good degree using a RANS simulation. Within the framework of a parameter study, two variations of the pre-swirl are investigated for the conical gap. As the pre-swirl decreases, an increase in heat transfer and fluid temperature are observed. This is due to greater frictional heating within the fluid resulting from higher relative velocities between the injected air and the air already rotating within the system.

Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2014, Augsburg

Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt - Lilienthal-Oberth e.V., Bonn, 2015

Conference Paper

deutsch

21,0 x 29,7 cm, 7 Seiten

urn:nbn:de:101:1-2015021323461

Konjugierte Wärmeübergangssimulation, Taylor-Couette-Poiseuille-Strömung

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13.02.2015