Entwicklung und experimentelle Validierung numerischer Wärmeübergangsmodelle für Prallstrahlen

Abstract

Prallstrahlen werden in kontinuierlichen Bandanlagen zur Wärmebehandlung von Stahl-, Aluminium und Kupferband sowie in Trocknungsanlagen für Papier und Textilien eingesetzt. Sie sorgen für eine gleichmäßige Wärme- und Stoffübertragung. Simulationen von Düsensystemen zur Erzeugung von Prallströmung haben einige grundsätzliche Vorteile gegenüber Messungen an Versuchsaufbauten. Bestehende numerische Modelle sind jedoch nur beschränkt geeignet, die komplizierten Turbulenzstrukturen in Prallstrahlen zu berechnen. Aus diesem Grund können mit dieser Methode lokale Verteilungen der Nußelt-Zahl nur mit großer Unsicherheit vorhergesagt werden. Im angestrebten Projekt sollen neue Ansätze zur numerischen Strömungsberechnung von Prallstrahlen entwickelt werden. Bereits vorhandene Versuchsstände zur Untersuchung des Wärmeübertragungsverhalten von Prallstrahlen können zur Validierung der neuen Modelle genutzt werden. Zusätzlich soll ein bestehender Prüfstand modifiziert werden, mit dem Geschwindigkeitsverteilungen und Turbulenzstrukturen von Prallströmungen mit Hilfe von optischen Messverfahren untersucht werden können. Die neu entwickelten Modelle sollen zudem anhand von realen Anwendungsfällen validiert und bewertet werden. Der Umbau des Versuchsstandes ist abgeschlossen, sodass alle notwendigen konstruktiven Anpassungen des Laserschutz in den bestehenden Versuchsstand integriert worden sind. Es ist eine Holzabdeckung, eine Abluftführung sowie ein Laserschutzvorhang angebracht worden. Der modifizierte Versuchsstand ermöglicht die Durchführung der experimentellen Parameterstudie, welche als Validierungsgrundlage für die numerische Modellierung dient. Die numerischen und experimentellen Untersuchungen an vier verschiedenen Düsensystemen mit jeweils drei verschiedenen Strömungszuständen sind abgeschlossen. Die numerischen Untersuchungen haben den Umfang von drei unterschiedlichen bestehenden Turbulenzmodellen. Die Ziele des Forschungsvorhabens wurden teilweise erreicht.