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Auslegung und Versuchsaufbau Aus der Abschätzung wurde eine Platte mit sieben Bohrungen bei einem Durchmesser von 10 mm gewählt. Der Bohrungswinkel beträgt 30° und war aus Fertigungsgründen nicht fla- cher ausführbar. Stolperdraht Eine effektive Filmkühlung erfordert einen hohen Stoff- und Wärmetransport im zu kühlenden Bereich. Dieser benötigt allerdings die Ausbildung einer turbulenten Grenzschicht. In diesem Versuchsaufbau muss ein laminar- turbulenter Umschlag erzwungen werden, um über den Kühlluftausblasungen eine größtmögliche turbulente Grenzschicht zu erhalten. Als Hilfsmittel dient ein „Prandtlscher- Stolperdraht“, der möglichst nah an der Plattenvorder- kante positioniert wird. Zur Dimensionierung und Positionierung des Drahtes wurden folgende Formeln herangezo- gen: u u δ x ∞ ν ∞ ν ⋅ d ≥ 900 ⋅ x 5 > 5 ⋅10 −1/ 5 = 0, 37 ⋅ Re x Formel 4.3.5 Formel 4.3.6 Formel 4.3.7 Die Formel 4.3.5 und Formel 4.3.6 beschreiben dabei den Draht in Größe und Position. Formel 4.3.7 schätzt die Höhe der turbulenten Grenzschicht nach dem Draht als laminar- turbulenten Umschlagpunkt ab. Mit Hilfe der Formeln wurde ein Drahtdurchmesser von 2 mm gewählt. Er befindet sich 30 mm hinter der Plattenvorderkante, weitere 165 mm entfernt beginnen die Kühlluftausblasun- gen. Nach Formel 4.3.7 lässt sich die Höhe der turbulenten Grenzschicht über den Ausbla- sungen somit auf ca. 4,5 mm abschätzen, wobei der tatsächliche reale Wert etwas höher liegen dürfte. Resultat Für einen möglichst geringen Wärmeübergang und damit geringer Beeinflussung auf die gemessene Temperatur besteht die Platte aus Plexiglas, was zusätzlich den Vorteil leichter 51
Auslegung und Versuchsaufbau Verarbeitbarkeit bietet. Damit war auch eine kostengünstige Herstellung der Kühlluftbohrun- gen gesichert. Die Platte reicht beidseitig über die Kanalwand hinaus, um Strömungsbeeinflussungen durch Verwirbelungen und Strömungsabrisse, welche von umströmten Kanten ausgehen, zu mini- mieren. Ihre Breite wurde auf 700 mm festgelegt. Für die Höhe waren vor allem die Zufüh- rungen von Kühlluft durch Schläuche sowie der Messinstrumentierung ausschlaggebend. Hinzu kommt, dass der Kanalquerschnitt nicht um einen zu hohen Anteil blockiert werden sollte. Dabei kann es zu hohen Strömungsbeschleunigungen infolge der Querschnittverringe- rung kommen. Bei einer Kanalhöhe von 58 cm und einer Plattenhöhe von 3 cm entspricht das einem annehmbaren Anteil von 5,17% der Querschnittsfläche. Als Vorderkantendesign wurde eine runde Form gewählt. Diese stellt eine gute Umströmung bei geringer Strömungsbeschleunigung sicher und neigt zusätzlich nicht zu Grenzschichtab- rissen. Die Bohrungslöcher wurden mit 12 mm Durchmesser gefräst und danach Plexiglasrohre mit 10 mm Innendurchmesser eingeklebt. Vom Plenum bis zu jedem der sieben Löcher führt ein Gummischlauch, der bei Umlenkungen von annährend 90° leicht abknicken kann und damit fast keine Luft mehr passieren lässt. Da die Schläuche in diesem 90° Winkel an die Bohrung geführt werden müssen, wurde versucht, die Plexiglasrohre mit einem Heißluftföhn umzu- formen und einen 90° Winkel mit möglichst gering geändertem Querschnitt herzustellen. Fer- tigungstechnisch ist dies natürlich kein gutes Mittel um sieben absolut gleiche 90° Biegungen zu erzeugen. Der resultierende unterschiedliche Querschnitt kann ein Grund für die gemes- senen Unterschiede in Druck- und Temperaturverteilung sein. Vergleichsmessungen zwi- schen einem Pitotrechen und der 1D Hitzdrahtmessung haben ebenfalls gezeigt, das auch die sieben einzelnen Bohrungsgeometrien eine zu hohe fertigungstechnische Anforderung darstellten und von einander abweichen (5.2). So kann mit einer punktuellen Druckmessung über den Bohrungen nicht auf eine Gleichverteilung des Massenstroms geschlossen werden. 52
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