Wärmeübergang bei hoher Prandtlzahl - Wärmeübertragung in berandeten Strömungen hoher Prandtlzahl

Strömungen von Flüssigkeiten mit hoher Prandtlzahl sind in zahlreichen Komponenten des Elektromotors, des Verbrennungsmotors bzw. des Antriebsstrangs anzutreffen. Beim Verbrennungskraftmotor werden Flüssigkeiten mit hoher Prandtlzahl im Ölkühler, zur Spritzölkühlung von Kolbenböden und zur Schmierölkühlung von Getriebeelementen eingesetzt. Die mechanische und thermische Auslegung der betroffenen Komponenten stützt sich maßgeblich auf die numerische Strömungssimulation (CFD) unter Berücksichtigung des Wärmetransports. Für Flüssigkeiten (Öle) mit hohen (molekularen) Prandtlzahl stellen die äußerst dünnen thermischen Grenzschichten eine große Herausforderung für die numerische Simulation des konvektiven Wärmeübergangs zwischen der Flüssigkeit und den benetzten festen Wänden dar. Da eine numerische Auflösung der wandnahen Unterschicht zu einem untragbar hohen Rechenaufwand führt, überbrückt man gemeinhin die unmittelbare Wandschicht mit sogenannten Wandfunktionen, meist in Form eines logarithmischen Wandgesetzes, zusammen mit der so genannten P-Funktion, welche den thermischen Widerstand der wandnahen laminaren Unterschicht abbilden soll. Dieser Ansatz ist zwar weithin etabliert, birgt jedoch große Modellunsicherheiten, sodass vor allem bei hohen Prandtlzahlen kaum verlässliche Vorhersagen für den Wandwärmeübergang zu erwarten sind. Das vorliegende Projekt soll die Vorhersagekraft der numerischen Berechnung des Wärmetransports in turbulenten Strömungen mit hoher Prandtlzahl entscheidend erhöhen. Basierend auf rechnerischen und experimentellen Untersuchungen sollen bestehende Modellansätze evaluiert und mögliche Modellverbesserungen bzw. neue Modellformulierungen entwickelt werden. Die Arbeiten beinhalten insbesondere Direkte Numerische Simulationen (DNS) einer rundum beheizten Rohrströmung, durchgeführt mit einem DNS-Code, welcher speziell für dieses generische Problem programmiert wurde und im Rahmen dieses Projektes erweitert wird. Die hierbei betrachteten dynamischen und thermischen Bedingungen sollen der Durchströmung der Einzelkanäle eines Ölkühlers möglichst nahe kommen. Die erzielten Ergebnisse sollen detaillierten Einblick in die experimentell kaum zugänglichen wandnahen Transportprozesse geben, um spezifische Modellannahmen zu überprüfen, gegebenenfalls zu modifizieren, oder auch zu verwerfen. Zur Absicherung und Erweiterung der gewonnenen Erkenntnisse wird dieselbe Konfiguration experimentell untersucht. Die Experimente werden an einem eigens dafür konzipierten Versuchsstand im Labor des ISW durchgeführt. Neben der Durchströmung eines beheizten zylindrischen Kanals soll auch der Wärmeübergang an einer durch Spritzölkühlung gekühlten ebenen Metallplatte rechnerisch und experimentell unter-sucht werden. Das Öl wird dabei mittels eines auf das Plattenzentrum gerichteten Freistrahls ein-gebracht und breitet sich in Form eines Ölfilms über die Plattenoberfläche aus. Es werden nur Betriebszustände mit vollständiger Benetzung betrachtet, sodass ein Wärmeübergang nur zwischen dem Öl und der Plattenoberfläche stattfindet. Entsprechende Simulationen zur Spritzölkühlung werden mit dem Code FIRE vom Projektpartner AVL durchgeführt, wobei die im Zuge der beheizten Rohrströmungssimulationen getesteten bzw. weiter entwickelten Modellansätze in FIRE implementiert und verwendet werden. Die experimentellen Arbeiten zur Validierung der für die Spritzölkühlung erzielten Simulationsergebnisse finden auf einem Prüfstand statt, der im Rahmen dieses Projektes aufgebaut wird.