Einflussgrößen und numerische Untersuchungen zum Druckverlust oszillierender Strömungen

Regenerative Gaskreisprozesse, wie z. B. der Stirlingmotor, sind geschlossene Maschinen, in denen ein Arbeitsgas durch Zylinder-Kolben Anordnungen Energie von einer Wärmequelle zu einem kälteren Reservoir überträgt. Die Kanäle der Wärmeübertrager werden hierbei oszillierend durchströmt und weisen damit, im Vergleich zu stationären Strömungen, hinsichtlich des Wärmeübergangs und der Strömungsdruckverluste ein grundsätzlich abweichendes Verhalten auf. In dem vorliegenden Beitrag wurden die Geschwindigkeit und der Druckverlust von oszillierenden Strömungen in Kanälen theoretisch und numerisch untersucht. Dabei sind sowohl kreisförmige als auch rechteckige Kanäle mit Reynolds-Zahlen im Bereich laminarer und turbulenter Strömungen betrachtet worden. Die numerische Simulation wurde in ANSYS-CFX realisiert und nutzt bewegte Gitter um die Volumenänderung der Kolben abzubilden. Die Übereinstimmung zwischen analytischer Lösung und numerischer Simulation für den Fall niedriger Reynolds-Zahlen ist sehr gut. Wie erwartet zeigten sich deutliche Unterschiede zwischen der numerischen Simulation und der analytischen Lösung bei höheren Reynolds-Zahlen (turbulente Strömung), die aufgrund fehlender analytischer Gleichungen allerdings nicht validiert werden konnten. Durch Analyse und Auswertung der Einflussgrößen wurden dimensionslose Kennzahlen erhalten sowie ein halbempirischer Ansatz unter Verwendung komplexer Zahlen entwickelt, welcher die Zeitabhängigkeit des Druckverlustes approximiert. Die darin auftretenden Modellkoeffizienten können unter Zuhilfenahme der Ergebnisse der numerischen Simulationen bestimmt werden und erlauben eine Abschätzung des Druckverlustes ohne Verwendung zeitaufwändiger CFD-Berechnungen.