Wärmeübergang an einer ebenen Platte bei Anströmung durch instationäre Prallstrahlen

In vielen industriellen Anwendungen kommen Prallstrahlen zur Wärme- und Stoffübertragung zum Einsatz. Stationäre Prallstrahlen sind umfangreich und ausführlich erforscht worden. In dieser Arbeit werden instationäre Prallstrahlen untersucht. In der dafür verwendeten Flip-Flop-Düse, der Kármánschen-Wirbelstraßen- Düse sowie der Präzessionsstrahl-Düse bewirkt die Strömung selbst die Oszillation. Es erfolgt eine Optimierung des Düsenaufbaus hinsichtlich Funktionsfähigkeit und Stabilität der instationären Strömung. Die Strömungsfelder werden sowohl im Freistrahl als auch im Prallstrahl mit Heißfilmsonden untersucht. Eine spezielle Heizund Messplatte erlaubt in schachbrettartig angeordneten Messfeldern die gleichzeitige Messung von Wandwärmestromdichten und - temperaturen. Damit können die ortsabhängigen Wärmeübergänge in Form von Nußelt-Zahlen ermittelt werden. Die Instationarität bewirkt bei der Flip-Flop-Düse und der Präzessionsstrahl-Düse eine drastische Geschwindigkeitsreduzierung infolge starker Vermischung mit Umgebungsluft. Damit ist ein generell niedrigerer Wärmeübergang verbunden. Die Differenz zum stationären Vergleichsfall beträgt bis zu 55 % bei der Flip-Flop-Düse sowie 60 % bei der Präzessionsstrahl-Düse. Die Wirbelkörper der Kármánschen- Wirbelstraßen-Düse bewirken höhere Geschwindigkeiten im freien Düsenquerschnitt und größere Turbulenzgrade ohne nennenswerten Einfluss auf die Vermischung mit Umgebungsluft. Das führt im Staubereich zu einem verbesserten Wärmeübergang. Die Erhöhung beträgt gegenüber dem stationären Vergleichsfall bis zu 31.5 %. Um den Wärmeübergang bewerten zu können, muss die zur Erzeugung der Strömung erforderliche Düsenleistung mit berücksichtigt werden. Bei der Flip-Flop-Düse und der Präzessionsstrahl-Düse bleibt der Leistungsbedarf gegenüber der stationären Strömung konstant. Abhängig vom jeweiligen Wirbelkörper erhöht sich jedoch bei der Kármánschen-Wirbelstraßen-Düse die erforderliche Düsenleistung. Aus den erzielten Ergebnissen zum Strömungsfeld und Wärmeübergang werden Empfehlungen für die weitere Forschung abgeleitet.