Eine Methode zur numerischen Untersuchung von Strömung und Wärmeübertragung in komplexen Geometrien

In dieser Arbeit entwickelt Roland Schmidt eine Methode zur numerischen Untersuchung der Wärme- und Impulsübertragung bei der Durchströmung von komplexen Geometrien und stellt sie am Beispiel eines Lamellenrohrbündel-Wärmeübertragers, der aus runden Rohren und geschlitzten Lamellen aufgebaut ist, vor. Der Schwerpunkt und der wesentliche Fortschritt im Vergleich zum bisherigen Stand des Wissens ist die Erzeugung eines hybriden Gitters, das zur Auflösung der Grenzschichten optimiert ist, die sich an den zahlreichen Teilflächen der geschlitzten Lamellen sowie an den Rohren bilden. Die Berechnung erfolgt zunächst unter Annahme einer laminaren und stationären Strömung. Eine einfache Modellierung behandelt die Lamelle als Körper mit konstantem Querschnitt. In dieser Modellierung wird der Impulsaustausch infolge der an den Stirnflächen systembedingt groben Gitterstruktur erheblich überschätzt. Eine verfeinerte Modellierung vermeidet dies durch eine Umformung der Lamelle und die Verwendung eines angepassten Gitters. Bei der Verifikation der Berechnungen wird der Einfluss von Gittervariationen untersucht. Zusätzlich wird eine instationäre Vergleichsrechnung durchgeführt. Sowohl die stationäre als auch die instationäre Berechnung lösen komplexe Strömungsstrukturen wie Rückströmgebiete, Grenzschichtbildung und asymmetrische Hufeisenwirbel auf. Zur Validierung der Ergebnisse werden Messungen der integralen Werte von Wärmeübergang und Druckverlust bei unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten herangezogen. Dabei zeigt sich im allgemeinen eine gute Übereinstimmung von Messung und Berechnung.