Experimentelle Untersuchung der Strömungscharakteristik und des Wärmeübergangs bei welligen Rieselfilmen

al-Sibai, Faruk; Renz, Ulrich

doi:26375

Experimentelle Untersuchung der Strömungscharakteristik und des Wärmeübergangs bei welligen Rieselfilmen

al-Sibai, Faruk (Author)^RWTH*

2004 & 2005

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Faruk Al-Sibai

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2004

UmfangVI, 100 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2004

Prüfungsjahr: 2004. - Publikationsjahr: 2005

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Renz, Ulrich (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2004-12-20

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-20050535
DOI: 10.18154/RWTH-CONV-121608
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/59863/files/59863.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Rieselfilm (Genormte SW) ; Filmströmung (Genormte SW) ; Wellenströmung (Genormte SW) ; Strömungsmesstechnik (Genormte SW) ; Wärmeübergang (Genormte SW) ; Infrarotthermographie (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Rieselfilm (frei) ; film flow (frei) ; PIV (frei) ; IR-Thermografie (frei) ; Fluoreszenz (frei) ; Wärmeübertragung (frei) ; Wellen (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
In der vorliegenden Arbeit wurden experimentelle Untersuchungen der Strömungscharakteristik und des Wärmetransports welliger Silikonöl-Filme bei unterschiedlichen Neigungswinkeln (13°, 30°, 60° und 90°) und Kapitza-Zahlen (Ka = 10e1 bis 10e8) durchgeführt, die einen besseren Einblick in die vorliegenden Wärmeübertragungs- mechanismen ermöglichen. Ein wesentlicher Teil der Arbeit bestand in der Entwicklung geeigneter zeitlich und örtlich hochauflösender Messverfahren. So wurde ein Messverfahren auf der Grundlage der Fluoreszenz-Intensitäts-Methode entwickelt, das in der Lage ist, die Filmdicke und die Wellengeschwindigkeit mit hoher zeitlicher Auflösung simultan zu bestimmen. Ein weiterer Bestandteil der Arbeit war die Messung der Filmgeschwindigkeit an periodisch angeregten zweidimensional-welligen Filmen mit der Particle-Image- Velocimetry (PIV). Dabei konnte durch simultan durchgeführte Filmdickenmessungen das Geschwindigkeitsfeld einer kompletten Wellenlänge rekonstruiert werden. Durch Messungen der Wandtemperaturverteilung mit einem eigens entwickelten Mess- verfahren auf der Grundlage der Infrarot-Thermografie konnte der Einfluss der Welligkeit auf die Wärmeübertragung im laminar-welligen Strömungsbereich untersucht werden. Aus den experimentellen Ergebnissen laminar-welliger und turbulenter Filme wurden dimensionslose Nährungsgleichungen für verschiedene Parameter wie der Filmdicke, Wellenfrequenz und Wellengeschwindigkeit zur Beschreibung der Rieselfilmströmung ermittelt. Wie der Vergleich mit vorhandenen Messwerten und Modellen zeigt, können die gefundenen Gleichungen dazu verwendet werden, die maßgebenden Parameter für verschiedene Neigungswinkel und Stoffe vorauszusagen. Um bestehende Klassifizierungen unterschiedlicher Welligkeiten und Strömungszustände mit den eigenen Messungen bei unterschiedlichen Kapitza-Zahlen zu vergleichen, sind charakteristische Reynolds-Zahlen aus Messungen der Wellenamplitude, der Standard- abweichung der mittleren Filmdicke sowie des Residualfilms mit visuellen Beobachtungen der Strömungscharakteristik zusammengefasst worden. Ein wesentlicher Unterschied besteht dabei in der Beschreibung des turbulenten Bereichs, da die eigenen Ergebnisse darauf hinweisen, dass der Beginn der Turbulenz eine Funktion der Kapitza-Zahl sein muss. Messungen mit der PIV-Messtechnik zeigen, dass im Wellenberg die Nußeltsche Wasser- hauttheorie die Oberflächengeschwindigkeit für alle Reynolds-Zahlen überschätzt. Die gemessenen Oberflächengeschwindigkeiten sind nur etwa halb so groß wie die vorher- gesagten. Im Wellennachlauf erkennt man, dass die Strömung um bis zu 30% im Vergleich zu Nußelt beschleunigt wird. Im Residualfilmbereich zeigen die eigenen Messungen ab einer Reynolds-Zahl von Re = 25 eine Beschleunigung im Vergleich zur Wasserhauttheorie. Anhand von Wandtemperaturmessungen wurde nachgewiesen, dass im Residualfilm überproportional mehr Wärme an den Film übertragen wird. Dies wird durch den im Vergleich zur mittleren Filmdicke des wellenfreien Films dünneren Residualfilm erklärt, der zu einer Erhöhung des Wärmetransports durch Leitung führt. Auch hier liegt ein Einfluss der Kapitza-Zahl vor. Die gewonnenen Erkenntnisse über die Strömungscharakteristik welliger Rieselfilme liefern einen wertvollen Beitrag zum Verständnis des Einflusses der Welligkeit auf die Hydrodynamik und den Wärmetransport.

In the present work experimental investigations of the flow characteristic and heat transport of wavy silicone oil films were accomplished with different angles of inclination (13°, 30°, 60° and 90°) and Kapitza numbers, which allow a deeper view into the structure and the heat transport phenomena. From the experimental results of laminar-wavy and turbulent films dimensionless approximation equations for different parameters were determined for the description of the film flow like the film thickness, wave frequency and the wave velocity. Furthermore new boundaries for the different film regimes could be discriminated from the results. A substantial part of the work was the development of more suitable temporally and locally high resolving measurement techniques. Thus a measurement technique on the basis of the fluorescence intensity method was developed, which is able to determine simultaneously the film thickness and the wave velocity. A further component of the work was the measurement of the film velocity of periodically excited two-dimensional-wavy films with the Particle Image Velocimetry PIV. The velocity field of a complete length of a two-dimensional wave could be reconstructed by simultaneous film thickness measurements. By measurements of the wall temperature distribution with a developed measuring system on the basis of the infrared thermography the influence of the wavy surface on the heat transfer within the laminar-wavy flow range could be examined. The results of the flow characteristic investigations of wavy film flow are valuable contributions to understand the influence of the waves on hydrodynamics and heat-transport.

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