Einfluß von Anströmprofil und Turbulenzintensität auf die Umströmung längsangeströmter Platten endlicher Dicke

Abstract

The flow parallel to thick plates separates in the nose section and reattaches on the flat plate after a certain distance. Compared with the thin flat plate the flow separation with reattachement causes significant changes of flow, heat transfer and pressure drop.

The informations about the flow are recieved from measurements of local mass transfer coefficients (Sc=0,616), which are fotometrically determined by light-remission. The fundamentals of the measuring technique are based on absorbed ammonia and subsequent chemical reaction with immediate color reaction. The main parameters of flow and related mass transfer are the nose of the plate, the Reynolds-number Re_sB and especially the turbulence intensity Tu. The measurements were accomplished with plates of a thickness 0.8 mm ≤ s ≤ 91.3 mm of truncated, hemicylindrical and wedge-shaped noses and with cylinders in parallel flow of truncated, hemispherical and conical noses. The Re_sB -number with the plate thickness as characteristic length was varied in a wide range between 10² < Re_sB < 2 · 10⁵, the turbulence intensity Tu between 0,8% ≤ Tu ≤ 6%.

The measured results indicate, that the flow around thick plates may generally be subdivided into three main forms of the flow: “boundary layer of flat plate”, “separation bubble” and “vortex shedding with reattachement”. The critical Reynolds-numbers for the transition of one form to another were determined as a function of the different shapes of noses. For the first time longitudinal vortices can be observed for separation bubbles with significant influence on the flow and on the mass transfer.

Thick plates with flow separation and reattachement may be subdivided into three sections: 1. the nose section, 2. the section of separated flow, 3. the section of boundary layer of flat plate downstream of reattachement. For the computation of local mass transfer rates, the position of the maximum mass transfer at the point of reattachement — the dividing line of the 2nd and 3rd section — are determined as a function of the main parameters plate nose, Re_sB -number and turbulence intensity.

Zusammenfassung

An längsangeströmten dicken Platten löst sich die Strömung im Bereich des Anströmprofils ab und legt sich nach einer gewissen Entfernung wieder an die Platte an. Dies führt gegenüber der dünnen Platte zu signifikanten Veränderungen von Umströmung, Wärmeübergang und Druckverlust.

Die Aussagen zur Umströmung werden aus örtlichen Stoffübergangsmessungen (Sc=0,616) mit Hilfe einer remissionsfotometrischen Stoffübergangsmeßmethode auf der Basis von Absorption, chemischer Reaktion und gekoppelter Farbreaktion gewonnen. Als wesentliche Einflußgrößen auf Umströmung und zugeordneten Stoffübergang sind das Anströmprofil, die Anström-Reynolds-Zahl Re_sB sowie insbesondere die Turbulenzintensität Tu zu nennen. Die Untersuchungen erstrecken sich auf Platten mit Dicken 0,8 mm≤s≤91, 3 mm mit stumpfem, halbrundem und keilförmigen Anströmprofilen sowie auf längsüberströmte Kreiszylinder mit stumpfem, halbkugelförmigem und kegelförmigen Anströmprofilen. Die mit der Plattendicke s gebildete Re_sB -Zahl wurde in weiten Grenzen 10² < Re_sB < 2 · 10⁵, die Turbulenzintensität zwischen 0,8 ≤ Tu ≤6% variiert.

Die Ergebnisse zeigen, daß sich die Umströmung dicker Platten generell in drei Hauptströmungsformen “Plattengrenzschicht”, “Ablöseblase” und “Querwirbelablösung” untergliedern läßt. Der Übergang von einer Strömungsform zur anderen wird durch kritische Re_sB -Zahlen erfaßt und die Abhängigkeit vom Anströmprofil über einen Profilfaktor beschrieben. Bei Ablöseblasen konnten erstmals an Platten Längswirbel nachgewiesen werden mit ihren charakteristischen Auswirkungen auf Umströmung und Stoffübergang.

Dicke Platten mit Strömungsablösung lassen sich in drei Abschnitte unterteilen: 1. Profilbereich, 2 Bereich abgelöster Strömung, 3. Plattengrenzschicht ab Wiederanlegen der Strömung. Im Hinblick auf eine Berechnung des örtlichen Stoffübergangs wird die Lage des Stoffübergangsmaximums beim Wiederanlegen der Strömung — als Trennlinie der beiden letzten Plattenabschnitte — unter Einbeziehung der wesentlichen Parameter Anströmprofil, Re_sB-Zahl und Turbulenzintensität erfaßt und als Berechnungsgleichung angegeben.