Experimentelle Untersuchung des konvektiven Wärmeübergangs an rotierenden Scheiben
Christian Helcig
Systeme rotierender Scheiben sind in einer Vielzahl von technischen Anwendungen zu finden. Die Anwendungsgebiete reichen dabei von alltäglichen Beispielen wie der Bremsscheibe oder der Festplatte bis hin zu wesentlichen Bestandteilen zum Teil komplexer Apparate der Verfahrenstechnik, Elektrochemie oder im Bereich der Turbomaschine. Ein großer Teil verschiedenster technischer Fragestellungen kann zudem auf den kanonischen Fall der rotierenden Scheibe abstrahiert werden. Für die Auslegung entsprechender Bauteile und Apparate ist ein genaues Verständnis möglicher Wärme- und Stoffübertragungsmechanismen der rotierenden Scheibe von großer Bedeutung. Auch ist die Wechselwirkung zwischen Rotation und Translation für die Beschreibung des Wärme- und Stoffübergangs einer rotierenden Scheibe von hoher Relevanz.
Erstmals wird in dieser Arbeit anhand von Messdaten der Effekt der Prandtl-Zahl auf den konvektiven Wärmeübergang frei rotierender Scheiben bei anliegender laminarer und turbulenter Strömung gezeigt. Die Untersuchung des Wärmeübergangs erfolgt über einen weiten Bereich der Prandtl-Zahl. Der Einfluss variabler Stoffwerte innerhalb der Grenzschicht wird dabei mittels der Stoffwertverhältnis-Methode berücksichtigt.
Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der systematischen Untersuchung des mittleren Wärmeübergangs einer im variablen Winkel angeströmten rotierenden Scheibe endlicher Dicke. Messungen des Geschwindigkeitsfeldes mittels Laser-Doppler-Anemometrie geben Auskunft über die Position des Staupunktes der Außenströmung. Die Überlagerung von Anströmung und Rotation wird als Einflussparameter auf den Wärmeübergang experimentell bestimmt und diskutiert. Eine vertiefende Untersuchung der Strömungsbedingungen wird mithilfe der theoretischen Betrachtung im Rahmen der Bifurkationstheorie systematisiert.
Die Ergebnisse der experimentell untersuchten Konfigurationen und Analysen werden in empirische Korrelationen überführt, wodurch der mittlere konvektive Wärmeübergang einer frei rotierenden Scheibe bei anliegender laminarer und turbulenter Strömung über einen großen Bereich der Prandtl-Zahl bestimmt werden kann. Zudem ist der Einfluss des Anstellwinkels auf den mittleren Wärmeübergang angeströmter Scheiben in Luft in empirischen Gleichungen dargestellt.
