Ein senkrecht auf eine Oberfläche prallender Strahl erzeugt die höchsten erreichbaren örtlichen Wärmeübergangskoeffizienten. Deshalb wird er beim Vorspannen von Glas, bei der Innenkühlung von Turbinenschaufeln, bei der punktuellen Kühlung von Elektronik und in Trocknungsprozessen eingesetzt.
Drei Zonen
Staupunktbereich. Der Strahl trifft auf die Oberfläche, die Geschwindigkeit geht gegen null und die Grenzschicht ist sehr dünn; hier erreicht der Wärmeübergang sein Maximum.
Wandstrahl. Die Strömung breitet sich seitlich aus, beschleunigt und verzögert dann.
Sekundäres Maximum. Bei bestimmten Abständen zwischen Düse und Oberfläche tritt dicht neben dem Staupunkt ein zweites Maximum des Wärmeübergangs auf, weil die Grenzschicht dort die Transition durchläuft. Eine Auslegung, die eine eingipflige Verteilung erwartet, übersieht diese Zone.
Warum die Modellierung schwer ist
Die Prallzone liegt außerhalb der Annahmen, auf denen die Standard-Turbulenzmodelle aufgebaut sind: Die Strömung steht senkrecht auf der Wand, die Normalspannungen überwiegen, die Schubspannung ist klein. Isotrope Zweigleichungsmodelle erzeugen am Staupunkt systematisch zu viel turbulente kinetische Energie und überschätzen den Wärmeübergang.
Praktische Abhilfen: Modellvarianten mit Staupunktkorrektur, transitionsempfindliche Modelle [1] oder Reynolds-Spannungsmodelle, die die Anisotropie mitführen [2].
Netz und Abstand
Im Staupunktbereich ist y+ < 1 Pflicht; der Wärmeübergang ist der Temperaturgradient an der Wand. Siehe die Notiz zur y+-Karte.
Der Abstand zwischen Düse und Oberfläche ist ein bestimmender Auslegungsparameter, und das Optimum liegt in einem schmalen Bereich: zu nah ist der Strahl nicht ausgebildet, zu weit breitet er sich aus und verliert seine Energie.
Düsenfelder
Was für einen einzelnen Strahl gilt, lässt sich nicht unmittelbar auf ein Feld übertragen: Die verbrauchte Luft benachbarter Strahlen erzeugt eine Querströmung, die stromab liegende Strahlen zur Seite biegt. Strahlen am Ende eines Feldes leisten deutlich weniger. Wie die verbrauchte Luft abgeführt wird, zählt ebenso viel wie die Strahlen selbst.
Referenzen
- Langtry, R. B. & Menter, F. R. (2009). Correlation-based transition modeling for unstructured parallelized computational fluid dynamics codes. AIAA Journal, 47(12), 2894–2906. DOI: 10.2514/1.42362
- Launder, B. E., Reece, G. J. & Rodi, W. (1975). Progress in the development of a Reynolds-stress turbulence closure. Journal of Fluid Mechanics, 68(3), 537–566.