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Stoffübergang in durchströmten, rotierenden Relativsystemen Aussagefähigkeit der Naphthalin-Sublimations-Methode

Kloss, Michael :
Stoffübergang in durchströmten, rotierenden Relativsystemen Aussagefähigkeit der Naphthalin-Sublimations-Methode.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2015)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Stoffübergang in durchströmten, rotierenden Relativsystemen Aussagefähigkeit der Naphthalin-Sublimations-Methode
Language: German
Abstract:

In der Angewandten Forschung, vor allem für den Bereich der weit entwickelten Technologie der Turbomaschine, ist die Naphthalin-Sublimations-Methode (NSM) ein etabliertes experimentelles Verfahren zur Untersuchung von Kühlsystemen. Die NSM ist dabei Teil eines Vorgehens, hier Skalierte Analogie Methode (SAM) genannt, das die Skalierung eines Strömungssystems und die Ausnutzung der Analogie von Wärme- und Stofftransport zur Basis hat. In dieser Arbeit wird die Unsicherheit der SAM ermittelt und deren Eignung für die Beantwortung zukünftiger wissenschaftlicher Fragestellungen anhand repräsentativer Validierungsfälle bestimmt. Zur Bestimmung der Unsicherheit der SAM wird eine theoretische Betrachtung durchgeführt. Weiterhin wird die Ungenauigkeiten der NSM experimentell quantifiziert. Die theoretische Betrachtung liefert Unsicherheiten, die primär aus den notwendigen Vereinfachungen der beschreibenden Gleichungen folgen. Es wird gezeigt, dass diese vereinfachenden Annahmen nur bedingt mit den tatsächlich vorherrschenden Bedingungen kongruent sind. Die Ungenauigkeit der NSM wird durch Doppelproben-Sublimations-Experimente quantifiziert. Variiert werden dabei geometrische Parameter der Proben und die Art der mechanischen Nachbearbeitung der Naphthalin-Schicht. Ebenfalls ermittelt wird der Einfluss einer Entgasung der Naphthalin-Schmelze, die zur Schichterzeugung genutzt wird. Weiterhin liefert die lichtmikroskopische Untersuchung aller Proben einen Grund für die Ungenauigkeit der NSM in Form von bisher nicht in diesem Zusammenhang beobachten, zeitvarianten Poren in der Naphthalin-Schicht. Zur Validierung der SAM werden mit dieser die Zyklon- und die Prallkühlung als repräsentative Kühlmethoden von Turbinenschaufeln untersucht. Variiert werden dabei die Parameter Reynolds-Zahl, Rotationszahl, Filmkühlabnahme und Anstellwinkel zur Rotationsachse. Die gemessenen Daten lassen sich im Falle der Prallkühlung durch ein analytisches Modell vorhersagen, das unabhängig von den Messdaten entwickelt wird.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The naphthalene sublimation technique (NST) is a well-established experimental method for investigations of cooling systems in applied research, especially in highly developed technologies such as turbo engines. It is part of a procedure, herein after called scaled analogy method (SAM), which is based on the scaling of flow systems and the utilisation of the analogy of heat and mass transfer. The uncertainty and the suitability of the SAM for future scientific issues are subject of this work. Both will be determined and partly quantified. Apart from this the validity of the SAM is ascertained by representative cases of cooling system investigations. A theoretical consideration and an experimental quantification of the inaccuracy of the NST are used to determine the uncertainty of the SAM. The theoretical consideration yields uncertainties, which are primarily consequences of necessary simplifications of the basic equations. It is shown that these simplifying assumptions and the actual conditions are incongruent. The inaccuracy of the NST is quantified by dual specimen sublimation experiments. In this investigation some geometrical parameters of the specimens and the kind of surface machining are varied. Furthermore it is analysed if a degassing of the molten naphthalene influences the later crystalline naphthalene layer. In addition to surface measurements the light microscopic investigation of all specimens yield a possible reason for the inaccuracy of the NST in the form of time variant pores in the naphthalene layer, which are unknown in this context up to now. The validation of the SAM is performed by its use to investigate the cyclone cooling and the impingement cooling as representative turbine blade cooling methods. Varied parameters are the Reynolds number, the rotation number, the film cooling rate and the pitch angle.English
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Naphthalin, Sublimation, Analogie von Wärme- und Stofftransport, Rotation, Turbomaschine, Turbine, Schaufel, Kühlung, angepasste Navier-Stokes-Gleichungen, Gleichungsherleitung, Momente Boltzmann-Gleichungen, mehrkomponentiges Gas, Zyklonkühlung, Prallkühlung
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
naphthalene, sublimation, analogy of heat and mass transfer, rotation, turbo engine, turbine, blade, cooling, adapted Navier-Stokes-equations, derivation of equations, moments of Boltzmann-equation, multi-component gas, cyclone cooling, impingement coolingEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 510 Mathematik
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 660 Technische Chemie
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Gas Turbines and Aerospace Propulsion (GLR)
Date Deposited: 12 Aug 2015 10:27
Last Modified: 12 Aug 2015 10:27
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-45881
Referees: Schiffer, Prof. Heinz-Peter and Stephan, Prof. Peter
Refereed: 17 February 2015
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4588
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