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Dr.-Ing. Martin Bruschewski

Statikgebäude (Haus IV) / Raum 118
MRI flow lab

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martin.bruschewskiuni-rostockde

Übersicht

IGF-Vorhaben

Motivation
Ziele
Arbeitsplan
Informationen


IGF-Vorhaben: Experimentelle Untersuchung von Prall- und Filmkühlungsströmungen mittels Magnetresonanztomographie (MRT) zur Validierung numerischer Methoden

Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (BMWK)

Motivation

Prall- und Filmkühlungstechnologien basieren auf einer aus Bohrungen austretenden Strömung, die entweder auf eine Oberfläche auftrifft oder diese mit einem Film bedeckt. Die Auslegung dieser Kühlluftsysteme erfolgt üblicherweise über CFD (Computational Fluid Dynamics). Ein üblicher Ansatz besteht in der numerischen Simulation von (zeit-)gemittelten Differentialgleichungen, welche als RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) Gleichungen bezeichnet werden. Mithilfe der RANS-Methode können hochturbulente Strömungen in komplexen Maschinen mit einem vertretbaren Aufwand simuliert werden. Die Herausforderung bei RANS-CFD liegt in der Genauigkeit der Simulationsergebnisse.

Strömungsmechanische Validierungsdaten im Bereich der Prall- und Filmkühlung werden hauptsächlich mittels der laser-optischen Messverfahren Laser Doppler Velocimetry (LDV) und Particle Image Velocimetry (PIV) generiert. Diese Verfahren erfordern, dass das durchströmte Modell transparent ist und dass die Brechungsindizes von Flüssigkeit und Modellmaterial übereinstimmen. Solche Experimente sind daher technisch aufwendig und kostenintensiv. Außerdem ist eine lückenlose Erfassung aller relevanten Strömungsbereiche in- und außerhalb der Bohrung meist technisch nicht möglich.

In diesem Vorhaben kommt die MRV als Strömungsmesstechnik zum Einsatz. Die MRV ermöglicht schnelle und kostengünstige 3D Strömungsmessungen in Modellsystemen und eignet sich ideal zur Validierung und Kalibrierung von Turbulenzmodellen unter verschiedensten Strömungssituationen.

Schematische Darstellung der Prall- und Filmkühlung sowie der wichtigsten auf die Strömung einflussnehmenden Parameter
Schematische Darstellung der Prall- und Filmkühlung sowie der wichtigsten auf die Strömung einflussnehmenden Parameter

Ziele

Mittels der MRV soll eine breite und konsistente Datenmatrix aus experimentellen Strömungsmessungen aufgebaut werden, die den CFD-Entwicklern und Anwendern als Vergleichsdaten zur Verfügung gestellt werden. Über eine systematische Auswahl der untersuchten Strömungsparameter werden die grundlegenden Annahmen der Turbulenzmodellierung in der RANS-CFD getestet.

Arbeitsplan

Zur Erfüllung der Ziele führt die Forschungseinrichtung strömungsmechanische Experimente streng nach dem Konzept der CFD-Grade Experiments durch. Dieses Konzept stammt aus der Reaktorsicherheitsforschung und beschreibt Experimente mit eindeutigen Randbedingungen und besonders hoher Datenqualität. Zu diesem Zweck wird zunächst ein Strömungssystem zur Untersuchung der Prall- und Filmkühlungskonfigurationen aufgebaut.

Zur experimentellen Untersuchung der Prallkühlung wird ein modularer Versuchsaufbau entwickelt und in Betrieb genommen. Mittels MRV werden verschiedene Prallkühlungs-Konfigurationen untersucht, die sich durch die Parameter Cross flow ratio, Jet Reynoldszahl, und Anzahl der Bohrungen unterscheiden. Außerdem werden mittels MRV verschiedene Filmkühlungskonfigurationen untersucht, die sich durch die Parameter inclination angle, supply flow ratio und blowing ratio unterscheiden.

Parallel zu den experimentellen Untersuchungen werden die MRV-Messdaten ausgewertet, für eine CFD-Validierung vorbereitet und den IGF-Partnern übergeben.

Als Forschungsvorhaben verfolgt das IGF-Projekt auch eine akademische Fragestellung. Viele Annahmen der RANS-Modellierung sind bekanntlich nicht für alle Strömungsfälle gültig, wie das Modell der Wirbelviskosität und der Gradientendiffusion. Über eine gezielte Messung dieser Parameter soll die Gültigkeit der Modelle für die üblichen Strömungsphänomene in der Prall- und Filmströmung untersucht werden.  Zu diesem Zweck werden in ausgewählten Strömungen auch der Reynoldsspannungstensor und der passive skalare Transport mittels MRV gemessen.

Informationen zum Forschungsprojekt

Antragsteller / Bearbeiter S. Grundmann, M. Bruschewski / C. Wüstenhagen
Laufzeit 2022 - 2025
Finanzierung Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK)