@phdthesis{,
    author = {Straußwald, Michael},
    title = {Experimentelle Untersuchung von Filmkühlung unter brennkammertypischen Strömungsbedingungen},
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    keywords = {Filmkühlung; Gasturbine; Brennkammer; Turbulenz; Phosphor-Thermometrie; Particle Image Velocimetry},
    abstract = {Filmkühlung ist eine weit verbreitete Technik, die bereits seit mehreren Jahrzehnten für die Kühlung thermisch belasteter Bauteile in Gasturbinen eingesetzt wird. Dadurch können höhere Betriebstemperaturen realisiert werden, was zu einem gesteigerten Wirkungsgrad führt. Gleichzeitig nehmen jedoch die NOx-Emissionen zu, weshalb für zukünftige Triebwerke neue Brennkammerkonzepte entwickelt werden, die wiederum erhöhte Anforderungen an die Filmkühlung stellen. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Kühlfilmströmung einer optimierten Grabengeometrie bei verschiedenen brennkammertypischen Impulsverhältnissen (I = 3,5 / 5,7 / 8,3) mit der Kühlfilmströmung aus Effusionsbohrungen und einer geraden Grabengeometrie verglichen. Die Untersuchungen wurden in einem geschlossenen thermischen Windkanal bei einem Dichteverhältnis von DR = 1,6 durchgeführt. Da das Strömungsfeld in realen Brennkammern aufgrund von Mischungsprozessen eine hohe Turbulenz aufweist, wurden zwei aktive Turbulenzerzeuger entwickelt und in den Windkanal integriert. Das resultierende Strömungsfeld wurde zunächst mit Hitzdraht-Anemometrie charakterisiert, wobei im Versuchsaufbau schließlich Turbulenzgrade von Tu = 16,4% bzw. 22,7% erreicht wurden. Diese Werte sind vergleichbar mit realen Strömungsdaten in der Nähe des Flammrohrs, weshalb durch den Einsatz der Turbulenzerzeuger filmkühltypische Strömungsbedingungen generiert werden können. Durch den Vergleich mit dem Einsatz bei niedriger Hauptströmungsturbulenz (Tu = 5,3%) kann zudem der Einfluss erhöhter Turbulenz auf das Strömungsfeld bewertet werden. Die Untersuchungen der Kühlfilmströmungen wurden mit einem neuen optischen Verfahren zur simultanen Bestimmung von Temperatur und Geschwindigkeit durchgeführt. Dabei werden die Möglichkeiten der Phosphor-Thermometrie mit der Particle Image Velocimetry verknüpft und so zweidimensionale Temperatur- und Geschwindigkeitsfelder mit einer Wiederholrate von 6 kHz aufgezeichnet. Der Vorteil dieser Messtechnik liegt in der Visualisierung instantaner Strömungsstrukturen und in der Möglichkeit zur Berechnung des turbulenten Wärmestroms. Diese Daten steigern das Verständnis für die Mischungsprozesse in der Strömung und ermöglichen die Validierung von komplexen Turbulenzmodellen für die numerische Simulation. Da thermographische Phosphore wie ZnO dazu neigen, Agglomerate zu bilden, können klassische Seeder für das Seeding nicht eingesetzt werden. Deshalb wurden im Rahmen dieser Arbeit ein neues Seeder-Konzept entworfen und anschließend Varianten für niedrige (Kühlluft) und hohe (Hauptströmung) Volumenströme entwickelt. Temperatur- und Geschwindigkeitsfelder zeigen, dass klassische Effusionsbohrungen einen Kühlluftstrahl erzeugen, der bei brennkammertypischen Impulsverhältnissen von der Oberfläche abhebt. Dadurch wird eine obere und eine untere Scherschicht erzeugt, was eine stärkere Vermischung der Kühlluft mit der Hauptströmung zur Folge hat. Gerade und optimierte Grabengeometrien führen zu einer Reduzierung des wandnormalen Strömungsimpulses, wodurch die Kühlluft an der Oberfläche anliegt. Dadurch entsteht lediglich eine Scherschicht mit insgesamt weniger Vermischung, was die in der Literatur beobachtete verbesserte Kühlleistung dieser Geometrien erklärt. Bei erhöhter Hauptströmungsturbulenz kommt es im Falle der optimierten Grabengeometrie jedoch zu einer gesteigerten Vermischung, und Serien aus Einzelbildern zeigen, dass der Kühlfilm durch die starken Geschwindigkeitsfluktuationen temporär vollständig aufgelöst wird. Daher wird erwartet, dass die Kühlwirkung der optimierten Geometrie unter realen Brennkammerbedingungen stark abnehmen würde.},
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    school = {Universität der Bundeswehr München},
    
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