Wirkmechanismen des Partikelfoulings auf strukturierten

Wirkmechanismen des Partikelfoulings auf strukturierten wärmeübertragenden Oberflächen
N. Kornev, J. Turnow, R. Kasper, Universität Ro- Rechenaufwand bei einer großen Anzahl an Partikel,
stock, Lehrstuhl für Modellierung und Simulation
kompensiert. Gleichzeitig können Partikel aus der
Foulingphase zu jedem Zeitpunkt in das LPT zurück
überführt werden, wodurch der Abtragungsprozess
Kurzgefasst
des Foulings aufgrund hoher lokaler Strömungsge• Entwicklung eines neuartigen, universellen Verfah- schwindigkeiten (infolge der örtlichen Kontraktion
rens zur Abbildung des Partikelfoulings auf Basis des Strömungsquerschnitts durch die Ablagerung)
der Kopplung des Lagrange-Particle-Trackings und und Scherspannungen simuliert werden kann.
der Euler-Methode
Gegenstand der numerischen Simulationen ist sowohl
die Validierung der beschriebenen Methode an• Verbesserte Kenntnisse über der Eignung strukhand
von Versuchsergebnissen (TU Braunschweig),
turierter Wärmeübertragungsoberflächen hinsichtals
auch
die detaillierte Untersuchung von struktulich Druckverlust, Wärmeübergang und Foulingrierten
Obersflächen,
insbesondere Dellenoberfläwahrscheinlichkeit
chen. Vorangegangene Untersuchungen an einer
• Ableitung eines erweiterten thermo-hydraulischen einzelnen sphärischen Delle zeigten ein ständiges
Desgin- und Betriebskriteriums zur Verminderung Schwanken der asymmetrischen Wirbelstrukturen
von Ablagerungen
von ±45◦ zur Hauptströmungs in Experiment und
Simulation ab einer Reynolds-Zahl ReD > 20.000
(siehe Abb.1). In diesem Zusammenhang soll geklärt
Die numerischen Simulationen, die im Rahmen werden, ob der labile Strömungszustand in den Deldes Projektes auf dem HLRN durchgeführt werden, lenstrukturen, der durch die Änderung der Schwangehören zu den Arbeiten im DFG-Projekt ”Wirkme- kung zur Hauptströmung der asymmetrischen Wirchanismen des Partikelfoulings auf strukturierten belstruktur entsteht, zu einer Selbstreinigung und
wärmeübertragenden Oberflächen” in Zusammen- damit zur Reduzierung von partikulären Ablagerunarbeit mit der TU Braunschweig. Das Ziel dieses gen führt. Erste Simulationen des Partikelfoulings
Projektes ist die Bestimmung der grundlegenden wurden für eine sphärische Delle und eine quadratiphysikalischen Wirkmechanismen der Ablagerung sche Vertiefung durchgeführt. Wie aus Abb.2 ersichtund Abtragung beim Partikelfouling. Der resultie- lich, zeigen die durchgeführten Simulationen bereits
rende Erkenntnisgewinn soll zu einer verbesserten nach 30 s Simulationszeit deutliche Ablagerungen
Einschätzung hinsichtlich der Eignung von struktu- innerhalb der Vertiefung, während hingegen die Delrierten Wärmeübertragungsoberfächen führen, die lenstruktur eine wesentlich geringe Foulingschicht
sowohl den Druckverlust und Wärmeübergang als aufweist. Dies stützt die Hypothese, dass aufgrund
auch die Foulingwahrscheinlichkeit mit einbezieht. der asymmetrischen Wirbelstruktur innerhalb der
Dadurch soll eine Lücke im derzeitigen Wissens- Delle ein Selbstreinigungseffekt eintritt.
stand geschlossen werden und die Kriterien der
thermo-hydraulischen Effizienz um ein Solches zum Weitere Informationen
foulingmindernden Design und Betrieb erweitern.
Im Rahmen der Arbeiten an der Universität Ro- [1] http://www.lemos.uni-rostock.de
stock wird ein neuartiges Verfahren entwickelt, wel- [2] Klunker J., Turnow, J. and Kornev, N. (2014).
ches eine sehr effiziente numerische Simulation des
Numerical modeling of particle fouling on strucPartikelfoulings und deren Wirkmechanismen auf
tured surfaces. Int. Conf. Engineering TurbuBasis der Kopplung des Lagrange-Particle-Tracking
lence Modelling and Measurement ETMM10,
(LPT) und der Euler-Methode ermöglicht. Dazu wird
Marbella, Spain
zunächst die Fluidströmung mittels Large Eddy Simulation (LES) berechnet. Auf Grundlage des be- [3] Kasper R., Turnow J., Klunker J. and Kornev,
N. (2015). Simulation of particle fouling and
rechneten Geschwindigkeitsfeldes werden anschlieits influence on friction loss and heat transfer
ßend die Trajektorien der injizierten Partikel ermittelt.
on structured surfaces using phase changing
Geschwindigkeitslose oder ruhende Partikel werden
mechanismen. 8th Int. Symp. on Turbulence,
dabei in eine zusätzliche Phase, die Foulingschicht,
Heat and Mass Transfer THMT15, Sarajevo,
überführt. Um den Einfluss der Ablagerungen auf die
Bosnia and Herzegovina
Fluidströmung berücksichtigen zu können, wird die
Foulingphase als poröses Medium über das DarcyFörderung
Forchheimer-Gesetz modelliert. Dadurch wird der
wesentliche Nachteil des LPT, der deutlich erhöhte DFG
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x
x
z
z
Abbildung 1: Wechsel der Anstellung der asymmetrischen Wirbelstrukturen zur Hauptströmungsrichtung in einer ausgeprägten
Delle
Abbildung 2: Foulingschicht (nach 30 s) und Stromlinien in einer sphärischen Delle (links) und einer quadratischen Vertiefung
(rechts)
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