3.2 Heißgaskanal
3.2.5 Voruntersuchungen am Heißgaskanal
Als Lichtquelle wird eine leistungsstarke kaltweißeLed(Philips Luxeon Rebel) eingesetzt. Eine Lochblende unmittelbar vor derLedsorgt für das punktförmige Emittieren des Lichts der Quelle (Blende 1; Abb. 3.7). Die beiden Achromaten (Linos;f= 1000 mm,d= 100 mm) begrenzen das Messvolumen und parallelisie-ren darin das Licht der Punktquelle. Treten im Messvolumen Dichteunterschiede auf, wird das parallelisierte Licht daran gebrochen9. Die Schlierenkante ist im Fokus des zweiten Achromaten positioniert und fängt einen Teil der abgelenkten Strahlung auf. Dadurch fehlen dem Bild Lichtanteile, was sich schließlich als Schlieren widerspiegelt [91]. Die derart erzeugten Schlierenbilder werden durch eine Canon Eos 600DSpiegelreflexkamera aufgezeichnet. Als Schlierenkante dient eine zweite Lochblende (Blende 2; Abb. 3.7), wodurch linienintegrale Dichte-gradienten des Messvolumens visualisiert werden.
Das Prozessieren der Schlierenbilder erfolgt, vergleichbar zur Bearbeitung der Irt-Daten, als Differenzbilder zwischen den Fällen mit und ohne aktiver Küh-lung. Zusätzlich werden Fluktuationen der Strömung, durch eine Mittelung aus 30 Einzelbildern des jeweilig untersuchten Betriebspunktes, eliminiert. Dadurch werden störende Einflüsse wie bspw. Dichteunterschiede, die aufgrund natürlicher Konvektion an den heißen Außenwänden desHgkauftreten, minimiert. Zur wei-teren Bearbeitung stehen in der Folge Aufnahmen zur Verfügung, die lediglich die hervorgerufenen Dichteunterschiede basierend auf der Kühlgaseinblasung enthal-ten. Durch das Einführen eines Maßstabs werden die Pixelwerte auf geometrische Längen bezogen. Auf diese Weise kann aus den Schlierendaten die Ausdehnung der Interaktion zwischen Heiß- und Kaltgas inx- undy-Richtung bestimmt werden.
Die einzelnen Schritte der Bildbearbeitung sind in Abb. A.10 dargestellt.
gewonnenen zweidimensionalen bzw. Linien-integralen Daten derIrt und der Schlierenfotografie, müssen die Geschwindigkeits- und Temperaturprofile derHgs eine möglichst symmetrische Struktur aufweisen. Um dies zu überprüfen, wurde ein Sondenrechen, bestehend aus drei Staudruck- und zwei Temperatursensoren, in der Hauptströmung bei x = 50 mm vertikal (y-Richtung) traversiert. Eine Fotografie der Sonde ist in Abb. A.8 dargestellt. Weiterführende Beschreibungen des Sondenrechens sind u.a. in [01e] oder [06e] zu finden. Exemplarisch sind in Abb. 3.9 (a) und (b) die gemessenen Druck- und Temperaturprofile für einen kalten ( ) und einen heißen ( ) Betriebspunkt abgebildet.
0.4 0.6 0.8 1
0 10 20 30
p/pmax
y/mm
Pitot-Sonde, links Pitot-Sonde, mittig Pitot-Sonde, rechts
(a) Totaldruckprofile
0.9 0.95 1
0 10 20 30
∆Tmax= 1.21 K
T /Tmax
y/mm
Te, links Te, rechts
(b) Temperaturprofile Abbildung 3.9: Untersuchung zur Symmetrie der Hauptströmung am Hgk bei
˙
mg= 400 g/s undx= 50 mm; ( ):Tg= 293 K; ( ):Tg= 373 K Stellvertretend für die Strömungsgeschwindigkeiten, sind in Abb. 3.9 (a) die lokalen Messwerte aller drei Pitot-Sonden alsp/pmaxdargestellt. Der maximale Staudruck (pmax) tritt dabei außerhalb derGsin der Mitte des Kanals auf. Die Pitot-Sonden sind mitz=±20 mm äquidistant um die Mittelebene des Rechens installiert und werden in Abb. 3.9 (a) durch die Benennung links, mittig und rechts unterschieden.
Die dargestellten Druckmessdaten belegen symmetrische Strömungsbedingungen bei beiden Betriebspunkten. An den Pitot-Sonden links und rechts der Mitte werden leicht geringere Staudrücke gemessenen, was auf den beginnenden Einfluss derGs-Bildung an den Seitenwänden inz-Richtung hindeutet.
In Abb. 3.9 (b) sind die aufgenommenen Temperaturprofile, mit Normierung auf die Maximalwerte (T/Tmax), abgebildet. Die beidenTesind am Sondenrechen bei z=±10 mm installiert. Für den beheizten Fall ( ) deutet der Temperaturabfall innerhalb derGsauf die nicht ideal adiabaten Wände des Versuchsaufbaus hin.
Für den kalten Betriebspunkt ( ) werden in unmittelbarer Wandnähe die höchsten Werte gemessen. Bei beiden Bedingungen zeigen die Messdaten bis ca. 15 mm oberhalb der Wand eine symmetrische Verteilung. Lediglich beim heißen Fall tritt
oberhalb vony= 15 mm ein Temperaturunterschied zwischen linker und rechter Seite (∆z= 20 mm) von maximal 1.21 K, bzw. bezogen aufTmax von 0.32 %, auf.
Basierend auf diesen Voruntersuchungen kann die Strömung innerhalb desHgkals ausreichend symmetrisch angesehen werden. Alle weiteren in dieser Arbeit disku-tierten Geschwindigkeits- und Temperaturprofile, werden mittels der in Kap. 3.2.4 vorgestellten Kombisonde in der Mitte des Strömungskanals aufgenommen.
Wiederholbarkeit
Ein weiteres Kriterium für die Güte der durchgeführten Untersuchungen ist die Wiederholbarkeit der Versuche. Im Rahmen dieser Arbeit wurden amHgk drei verschiedene Cmc-Materialien charakterisiert. Um die gewonnenen Daten der unterschiedlichen porösen Proben aussagekräftig miteinander zu vergleichen, müssen die Betriebspunkte reproduzierbar eingestellt werden können.
In diesem Bezug sind in Abb. 3.10 exemplarisch vier Messreihen aufgetragen, welche die gemessenen Geschwindigkeits- und Temperaturprofile ohne Kühlflui-dinjektion an unterschiedlichen Versuchstagen, aber gleichen Betriebspunkten und Messposition (Re150k/T100C/x = 50 mm) miteinander vergleichen. Die Messreihen 1 und 2 beziehen sich auf Wiederholungsmessungen derselben Materi-alprobe (SampleB180). Die Daten der Messreihen 3 und 4 stammen von jeweils unterschiedlichen porösen Proben (SampleB90,SampleA). Auf die Unterschiede und die Benennung derCmc-Proben wird in Kap. 4.1.1 eingegangen.
Die Geschwindigkeits- und Temperaturprofilvergleiche in Abb. 3.10 (a) bzw. (b) deuten auf eine hohe Reproduzierbarkeit der Betriebsbedingungen am Hgk
30 40 50 60 70
0 10 20 30
u/ m/s
y/mm
Messreihe 1 Messreihe 2 Messreihe 3 Messreihe 4
(a) Geschwindigkeitsprofile
366 368 370 372 374
0 10 20 30
T / K
y/mm
Messreihe 1 Messreihe 2 Messreihe 3 Messreihe 4
(b) Temperaturprofile Abbildung 3.10: Wiederholbarkeit der Betriebspunkte amHgk;
Re150k/T100C,F = 0 % an Positionx= 50 mm;
( )SampleB180; ( )SampleB90; ( )SampleA (s. Kap. 4.1.1)
hin. Die maximale Streuung der massenstromgemittelten Geschwindigkeiten ergibt sich zu ubulk = 55.57 m/s +0.32 m/s−0.50 m/s für die hier beschriebe-nen vier Messreihen. Die Messabweichungen der Heißgastemperaturen liegen bei Tbulk= 373.76 K +0.05 K−0.04 K. Bei den lokalen Werten der Strömungsprofile ergeben sich innerhalb derGsmaximale Differenzen von ∆umax= 3.65 m/s sowie
∆Tmax= 0.65 K und außerhalb des wandnahen Bereichs von ∆umax= 1.00 m/s sowie ∆Tmax= 0.28 K. Die Diskussion erfolgt hier exemplarisch für die vier Mess-reihen bei Re150k/T100C. Das generelle Verhalten kann jedoch als repräsentativ für alle übrigen untersuchten Bedingungen angesehen werden. Insbesondere vor dem Hintergrund, dass Versuche mit unterschiedlichen Materialproben einen Umbau des experimentellen Aufbaus bedurften, kann eine zufriedenstellende Wiederholbarkeit der Betriebsbedingungen amHgkfestgestellt werden.
Turbulenzgrad
Neben der Symmetrie und der Wiederholbarkeit, stellt die Intensität der turbu-lenten Schwankungsbewegungen einen weiteren Güteparameter der Strömung dar.
Diese Intensität kann durch den sogenannten Turbulenzgrad (T u) charakterisiert werden. Wird von isotroper Turbulenz ausgegangen, kann dieser durch
T u= p
u02
u∞ (3.11)
beschrieben werden [89]. Hier beschreibtu02 das zeitliche Mittel der turbulenten Schwankungsbewegungen. Der Index∞bezieht sich auf die ungestörte Geschwin-digkeit außerhalb derGs, welche als Bezugsmaß für die Mittelung dient. Die An-nahme einer isotropen Turbulenzverteilung ist eine starke Idealisierung, die durch den umfangreichen Einbau von Sieben im Nachlauf des Heizers (vgl. Kap. 3.2.1) ansatzweise gerechtfertigt werden kann. Basierend auf der Maschenweite und dem Drahtdurchmesser des feinsten verbauten Siebes (M = 1 mm,d= 0.58 mm), kann nach Roach [83] der induzierte Turbulenzgrad zu 0.3 % abgeschätzt werden. Diese Überschlagsrechnung basiert auf der massenstromgemittelten Geschwindigkeit unmittelbar nach dem Heizer. Für eine genauere Bestimmung wurden in der Versuchsstrecke Hitzdrahtmessungen durchgeführt.
Die Hitzdraht-Messtechnik ist ein Analogieverfahren, bei dem die eigentliche Mess-größe Strömungsgeschwindigkeit indirekt bestimmt wird. Das Funktionsprinzip besteht darin, einen dünnen Draht durch eine elektronische Brückenschaltung auf Temperaturen über der Strömungstemperatur zu erhitzen. Bei den in dieser Arbeit durchgeführten Messungen wurde der Hitzdraht durch die Brückenschaltung auf eine konstante Drahttemperatur geregelt. Diese Betriebsart wird allgemein als
constant temperature anemometry (Cta) bezeichnet. Treten in der Strömung Geschwindigkeitsänderungen auf, wird die elektrische Leistung nachgeregelt, um die Änderung der konvektiv abgeführten Wärme zu kompensieren und damit den Draht auf einer konstanten Temperatur zu halten. Durch eine entsprechende Kalibrierung kann die, zur Beheizung erforderliche, elektrische Leistung als direk-tes Maß für die Strömungsgeschwindigkeit betrachtet werden. Abhängig von der eingesetzten Brückenschaltung können Hitzdrähte imCta-Betrieb Schwankungs-bewegungen im Frequenzbereich einiger kHz auflösen. Damit eignet sich diese Messtechnik u.a. zur Bestimmung des Turbulenzgrades einer Strömung [8].
Im Rahmen dieser Arbeit kam ein Hitzdrahtsystem vonSvmtec zum Einsatz. Zur Bestimmung des Turbulenzgrades wurde die Gsbei x= 50 mm mit einer Ein-drahtsonde traversiert. Die resultierendenT u-Profile sind in Abb. 3.11 dargestellt.
0 2 4 6
0 10 20 30
T umax= 5.2 %
T u/ %
y/mm
˙
mg= 200 g/s;Tg= 293 K
˙
mg= 200 g/s;Tg= 293 K
˙
mg= 250 g/s;Tg= 323 K
˙
mg= 200 g/s;Tg= 353 K
Abbildung 3.11: Turbulenzgrad der Strömung amHgkbeix= 50 mm Alle gemessenen Profile weisen in etwa der Hälfte derGs-Dicke (vgl. Abb. 3.9 (a) u. Abb. 3.10 (a)) ein ausgeprägtes Maximum auf, welches in Richtung des Grenz-schichtrands wieder abklingt. In der ungestörten Strömung außerhalb der Gs ergeben sich für die untersuchten Betriebsbedingungen konstante Werte zwischen 0.6 % und 2.3 %. Diese liegen damit über den theoretisch ermittelten Werten nach Roach [83]. Eine Beobachtung, die durch die experimentellen Gegebenheiten begründet werden kann (beschleunigte Strömung, Kanten, etc.), welche der theo-retische Ansatz nach [83] nicht abdeckt. Generell befindet sich derT u-Verlauf jedoch in guter qualitativer Übereinstimmung mit den in Gersten und Herwig [27]
angegebenen Profilen turbulenter Schwankungsbewegungen.
Eine quantitative Verwendung der Hitzdrahtmessungen zur Bestimmung der Geschwindigkeits- und Temperaturprofile ist in dieser Arbeit nicht vorgesehen. Da bei der Transpirationskühlung durch die Injektion des Kühlgases eine stark nicht
isothermeGs-Situation auftreten kann, muss für aussagekräftige Messungen ein deutlich erhöhter Kalibrieraufwand betrieben werden (s. bspw. Borowiak [04s]).
Die durchgeführten Messungen dienen hier zur Überprüfung der Strömungsquali-tät amHgk. Basierend auf den ermitteltenT u-Verläufen kann davon ausgegangen werden, dass die in Kap. 5.2 diskutiertenGs-Profile eine charakteristische Turbu-lenzstruktur und -intensität aufweisen.