Lehrstuhl Strömungsmechanik

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MR-Thermometrie

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BMWi LuFo V-3

Experimentelle Methode zur Untersuchung der dreidimensionalen Temperatur- und Geschwindigkeitsfelder in Kühlsystemen basierend auf der Magnetresonanztomographie

Die Magnetresonanztomographie ist ein aus der Medizin bekanntes, bildgebendes Diagnoseverfahren, welches unter anderem die berührungslose Messung von dreidimensionalen Geschwindigkeits- und Temperaturfeldern ermöglicht. In diesem Forschungsprojekt soll untersucht werden, wie diese Messtechnik für die Auslegung von Kühlungen in Triebwerkssystemen eingesetzt werden kann.

Motivation

Der Entwurfsprozess solcher Kühlsysteme beruht maßgeblich auf numerischen und empirischen Methoden. Experimentelle Verfahren zur Bestimmung des konvektiven Wärmetransportes werden nach heutigem Stand erst im späten Entwurfsprozess eingesetzt, da die üblichen Methoden mit einem hohen zeitlichen und finanziellen Aufwand verbunden sind. Das extrem schnelle MRT- Messverfahren produziert hingegen Datensätze mit Millionen von Geschwindigkeits- und Temperaturmesspunkten in wenigen Stunden. Da kein optischer Zugang benötigt wird, können Modelle schnell und kostengünstig mit Rapid-Prototyping oder Additive-Manufacturing-Methoden hergestellt werden. MRT-Messungen könnten somit schon frühzeitig in den Entwicklungsprozess eingebunden werden, wodurch die Vorhersagegenauigkeit der Entwürfe signifikant verbessert werden kann. Für die Untersuchungen steht dem Lehrstuhl ein eigenes Magnetresonanztomographielabor zur Verfügung, das speziell für ingenieurwissenschaftliche Strömungsmessungen ausgelegt ist.

Ziele

Die grundsätzliche Machbarkeit, dreidimensionale Temperaturfelder in Strömungen mit Hilfe der MRT-Messtechnik quantitativ zu messen, wurde bereits in einigen Vorarbeiten nachgewiesen. In diesem Vorhaben sollen nun der Messablauf optimiert und Fehlereinflüsse minimiert werden, um die Weiterentwicklung der Messtechnik bis hin zur Industriereife voran zu treiben. Insbesondere soll die Anwendbarkeit bei der Untersuchung der Innenkühlung von Turbinenschaufeln überprüft werden.

3D Temperatur- und Geschwindigkeitsverteilung in einem Modell eines Kühlsystems
3D Temperatur- und Geschwindigkeitsverteilung in einem Modell eines Kühlsystems

Arbeitsplan

Durch die konzeptionelle Messtechnikentwicklung und Validation anhand einfacher Testfälle sollen zunächst der Messablauf optimiert und die Fehlerquellen minimiert werden. Anschließend wird die Messtechnik in Strömungen validiert. Dabei besteht die größte Schwierigkeit darin, dass die Geschwindigkeit der Fluidteilchen Einfluss auf das Temperaturmesssignal nehmen kann. Im dritten Schritt wird die Anwendbarkeit an realistischen Kühlströmungen untersucht. Dabei werden wasserdurchflossene Modelle mit Temperaturgradienten eingesetzt, die unter einer möglichst genauen Einhaltung der Ähnlichkeitsparameter den Strömungszustand in Kühlsystemen von aktuellen Triebwerkskonzepten abbilden sollen.

Informationen zum Forschungsprojekt

Antragsteller / Bearbeiter S. Grundmann, M. Bruschewski
Laufzeit 1/2018 – 12/2020
Finanzierung Bundesministerium für Wirtschaft und Entwicklung (BMWi)