Thermohydraulische Untersuchungen an additiv gefertigten tiefengewellten Rippen für Kühlungsanwendungen

Von:

Jonas Kühndel

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Luftgekühlte Motorkühlungswärmeübertrager wie sie bei Bau- und Landmaschinen eingesetzt werden zeichnen sich durch ein Betriebsumfeld aus, das von Verschmutzungspartikeln wie Staub und Pflanzenmaterial geprägt ist. Deshalb werden auf ihrer Luftseite tiefengewellte Wellrippen eingesetzt. Die bestehenden Korrelationen zur Beschreibung des Wärmeübergangs und des Druckverlustes in Abhängigkeit der tiefengewellten Rippengeometrie genügen allerdings bisher nicht den Ansprüchen bei einer präzisen Auslegung von Wärmeübertragern. In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung einer neuen Methodik vorgestellt, die das Selektiven Laserschmelzen (SLM) nutzt, um eine experimentelle Analyse des thermohydraulischen Verhaltens von praxisrelevanten Geometrieparametern wie Amplitude, Wellenlänge und Grundform bei tiefengewellten Wellrippen durchzuführen. Der Einfluss dieser Geometrieparameter auf Leistung und Druckverlust wird anhand thermodynamischer Leistungsmessungen analysiert. Im Zuge der Arbeit wird hierfür ein Prüfstand zur Untersuchung SLM-gefertigter Versuchselemente mit Wellrippenstrukturen entwickelt. Mit hoch genauen, Messungen werden anhand von Nußelt-Zahlen und Darcy friction factor Wärmeübertragung und Druckverlust der Wellrippen analysiert. Es wird der Effekt der erhöhten Oberflächenrauigkeiten des SLM experimentell und mit numerischen Simulationen behandelt. Die maßhaltige Realisierung der Geometrieparametervariationen in feinen Schritten bildet eine engmaschige Versuchsmatrix für den relevanten Parameterbereich der Wellenausprägungen verschiedener tiefengewellter Grundformen. Auf Basis der Messdaten können neue, präzisere empirische Korrelationen entwickelt werden, welche zuverlässig und präzise das Verhalten von tiefengewellten Wellrippen modellieren.