Thermal Lattice Boltzmann Methods for the Simulation of Turbulent Flows with Conjugate Heat Transfer – Application to Refrigerated Vehicles

In dieser Arbeit wird eine thermische Lattice-Boltzmann-Methode (TLBM) für die instationäre Simulation turbulenter Strömungen mit natürlicher Konvektion und konjugierter Wärmeübertragung vorgestellt. Turbulente Strömungen mit ihren chaotischen Druck- und Geschwindigkeitsschwankungen stellen eine besondere Herausforderung für numerische Simulationen dar, wobei turbulente Strömungen, angetrieben durch thermische Auftriebskräfte, eine besonders schwierige Aufgabe darstellen. Wie in dieser Arbeit gezeigt wird, ermöglicht TLBM Large Eddy Simulationen (LES) solcher Probleme im industriellen und technischen Maßstab unter Verwendung eines Smagorinsky-Feinstruktur-Modells und unter Ausnutzung seiner intrinsischen Parallelisierbarkeit sowie der Möglichkeit, mehrere tausend Prozessorkerne zu verwenden. Die Eignung der vorliegenden Methode wird in dieser Arbeit anhand von Anwendungen zur Simulation der Innenluftströmung und der Isolationseffizienz eines Kühlwagens, des Wärmetransports im Luftspalt zwischen Rotor und Stator bei Elektromotoren, der Weiterentwicklung hocheffizienter Isolation auf der Basis von Vakuumisolationspaneelen (VIP) und Latentwärmespeichern sowie deren Anwendung in Kühlwagen gezeigt. Eine umfassende Validierung der Methode und ihrer Implementierung im Open-Source-Framework OpenLB wird durchgeführt. Gitterkonvergenz zweiter Ordnung wird gegen das analytische Porous Plate Problem demonstriert, während stabile Simulationen auch bei grober Diskretisierung mit hohen Reynolds- und Rayleigh-Zahlen erreicht werden. Eine sehr gute Übereinstimmung wird für natürliche Konvektion in einem quadratischen Hohlraum, ein bekannter Benchmark-Fall, vom laminaren zum turbulenten Regime mit 10^3 <= Ra <= 10^10 und bei Auflösungen von y+ ~ 2 gezeigt. Im ersten Teil der Ergebnisse werden Simulationen eines leeren Kühlaufbaus für einen Kühllastwagen vorgestellt. Das Strömungsfeld und der Wärmeübergang innerhalb eines gegebenen Kühllastwagens zeigt eine sehr gute Übereinstimmung mit den Messergebnissen, insbesondere den experimentellen Daten für ein Kühlfahrzeug bei Re ~ 53000 an vier charakteristischen Geschwindigkeits- und 13 Temperaturpositionen im Lastwagen. Die Wärmeübertragung durch die Wände wird in den Simulationen durch konjugierte Wärmeübertragung aufgelöst. Dies ermöglicht nun die präzise Vorhersage von Wärmeströmen nahe von Nusselt-Korrelationen für den gegebenen Aufbau, aber - im Gegensatz zu gewöhnlichen Nusselt-Korrelationen - wird der Wärmestrom in der Simulation räumlich aufgelöst. Im zweiten Teil der Ergebnisse wird die Strömung und der Wärmeübergang in einem Ringspalt mit innen rotierendem Zylinder untersucht. Die besondere Herausforderung bei der Simulation dieser Taylor-Couette-Strömung ist die Bildung von Taylor-Wirbeln, die durch ihre Rotation senkrecht zur Hauptströmungsrichtung den entsprechenden Wärmeübergang deutlich erhöhen. Detaillierte instationäre Simulationen werden über einen weiten Drehzahlbereich von fast schleichender Strömungen bis hin zum Auftreten von Taylor-Wirbeln durchgeführt. Es wird eine gute Übereinstimmung mit bisherigen Ergebnissen für die Strömungsstrukturen und die Verbesserung des Wärmeübergangs durch Taylor-Wirbel festgestellt. Insbesondere wird die vorliegende Methode mit Messungen, einer Korrelation und Simulationen unter Verwendung des Scherspannungstransport-Turbulenzmodells (SST) verglichen. Besonderes Augenmerk wird auf die Vorhersage der kritischen Taylor-Zahl gelegt. Während direkte numerische Simulationen (DNS) mit LBM die kritische Taylor-Zahl aus den Experimenten nahezu identisch vorhersagen, wird sie von LBM-LES leicht und vom SST-Modell weiter überschätzt, was auf die übermäßig dissipative Natur der Turbulenzmodelle für die Transition zurückzuführen ist. Im dritten Teil der Ergebnisse werden innovative Konzepte für verbesserte, nachhaltigere Kühlfahrzeuge numerisch untersucht. Um den Kraftstoffverbrauch und die damit verbundenen Emissionen zu reduzieren, werden zwei Ansätze als vielversprechend angesehen: (a) der Einbau von Vakuum-Isolationspaneelen (VIP) in die Wände des Kühlkoffers und (b) die Einführung eines Latentwärmespeichers (LHS) zum Austausch der kraftstoffbetriebenen Klimaanlage (AC). Die Verwendung des vorliegenden TLBM erlaubt in den Simulationen die Auflösung der durch die AC und die natürliche Konvektion induzierten turbulenten Luftströmung, des Wärmeflusses innerhalb der Isolierwände und der tiefgefrorenen Ladung. Dies liefert neue Erkenntnisse über den Einfluss der Konzepte auf die Wärmeübertragung in verschiedenen Kühlaufbauten. Die Simulationen zeigen einen stark reduzierten und homogenisierten einströmenden Wärmestrom für das kombinierte PUR- und VIP-Isoliermaterial im Vergleich zu einer reinen PUR-Isolierung. Die Dämmung des Kühlaufbaus mit VIPs halbiert daher die erforderliche Kühlenergie. Dies ermöglicht den Ersatz der AC durch einen LHS in Dachnähe und ein zusätzliches Lüftungssystem mit deutlich geringerer Gesamtleistung. Unter Berücksichtigung der Temperaturhomogenität von Tiefkühlprodukten wird eine leichte Umströmung des Kühlgutes als notwendig erachtet. Die maximal zulässige Ausfallzeit der AC wird in den Simulationen mit jeweils ca. 3,3 min (PUR), 8 min (PUR+VIP) und 11 min (PUR+VIP+LHS) ermittelt. Im vierten Teil der Ergebnisse wird eine LBM zur Simulation des Schmelzens und des konjugierten Wärmeübergangs auf der Basis des Transports der Gesamtenthalpie vorgestellt, welche bei Validierung gegen die analytische Lösung des zeitabhängigen Stefan-Problems präzise Ergebnisse liefert. Die in dieser Arbeit entwickelte Methode zeigt geringe Grenzflächendiffusion für einen weiten Bereich von Relaxationszeiten und Stefan-Zahlen. Weiterhin wird eine enge Übereinstimmung für das Schmelzen von Gallium einschließlich der natürlichen Konvektion in 2D und 3D mit Messungen und Simulationen mit unterschiedlichen Ansätzen gezeigt. Das Modell wird ferner auf das Schmelzen von Paraffin in zwei komplexen Metallschaumgeometrien angewendet. Es wird eine Voxel-basierte parallele Vernetzung vorgestellt, die eine schnelle und automatisierte Verarbeitung der komplexen Geometrie in wenigen Minuten ermöglicht. Die Simulationen erfassen erfolgreich den materialübergreifenden Wärmetransfer in 3D, wobei die Wärmeleitfähigkeit des Schaums mehr als 1000-mal größer als die des Paraffins ist. Die Form der Schmelzfront und der Einfluss der spezifischen Oberfläche der verschiedenen Metallschäume stehen in enger Übereinstimmung mit früheren Simulationen

Heat transport mechanisms in silica-based core materials for thermal superinsulations

Diese Arbeit befasst sich mit der Wärmeübertragung in Silica-basierten Superisolatoren. In systematischer Abfolge werden vier Publikationen zu diesem Thema vorgestellt. Der Fokus liegt auf analytischen Berechnungsmethoden für die verschiedenen Wärmeübertragungsmechanismen. Diese werden mit einer Vielzahl von Messungen der gasdruckabhängigen Wärmeleitfähigkeit verglichen und entsprechend bewertet. Zur Durchführung der Wärmeleitfähigkeitsmessungen wurde ein spezieller Guarded-Hot-Plate-Apparatus entwickelt und aufgebaut. Dieser ermöglicht es, auch fragile Pulverpresslinge hinsichtlich ihrer gasdruckabhängigen Wärmeleitfähigkeit in einem Druckbereich von < 0.01 mbar bis Atmosphärendruck zu vermessen. Es wurden verschiedene Fällungskieselsäuren, pyrogene Kieselsäuren, Silicagele und Glasperlen untersucht. Die bekannten Wärmeübertragungsmechanismen in diesen Materialien können nicht vollkommen getrennt voneinander untersucht werden, da sie zur Kopplung neigen. Insbesondere ist eine Wechselwirkung zwischen der Wärmeleitung des Feststoffgerippes mit der Wärmeleitung der Gasphase zu beobachten. Dieser sogenannte Kopplungseffekt ist je nach Material unterschiedlich stark ausgeprägt. Als wesentliches Element dieser Arbeit wurde der Kopplungseffekt in verschiedenen Materialien quantifiziert und zu dessen Beschreibung wurden heuristische Modelle gefunden. Die erste Veröffentlichung handelt von der Gas-Feststoff-Kopplung in Fällungskieselsäuren. In dieser wird den Fragen nachgegangen, ob sich verschiedene kommerziell erhältliche Fällungskieselsäuren hinsichtlich ihrer Neigung zur Kopplung unterscheiden und welche Materialeigenschaften für die Kopplung verantwortlich sind. Zur Bewertung wird der Kopplungseffektfaktor f eingeführt. Es hat sich gezeigt, dass zwischen den Produkten keine signifikanten Unterschiede zu erfassen sind. Stattdessen ist ein deutlicher, nahezu linearer Zusammenhang zwischen der Porosität und dem Kopplungseffektfaktor festgestellt worden. Daraus kann gefolgert werden, dass die untersuchten Fällungskieselsäuren auf der keine für den Wärmefluss entscheidenden strukturellen Unterschiede aufweisen. Die Gas-Feststoff-Kopplung wird vor allem den Bereichen um die Berührungspunkte der Partikel zugeschrieben. Der Kopplungseffektfaktor ist demnach von deren Anzahl und, bei konstanter Partikelgröße, direkt von der Porosität abhängig. Es hat sich folglich gezeigt, dass die Gas-Feststoff-Wechselwirkung für die Beschreibung der Wärmeübertragung in Superisolationen von entscheidender Bedeutung ist. Der Faktor der Energieübertragung beim Wandstoß eines Gasmoleküls heißt thermischer Akkommodationskoeffizient $\alpha$ (TAC). Er beschreibt den Temperatursprung, der sich an einer Gas-Feststoff-Grenze einstellt. In makroskopischen Systemen kann er vernachlässigt werden. In mikro-/nanoporösen gibt es jedoch viele stoffliche Grenzen, so dass dieser Faktor relevant wird. In der Literatur wird für Luft dennoch häufig ein Akkommodationskoeffizient von eins, und somit eine vollständige Energieübertragung zwischen Gas und Feststoffoberfläche, angenommen. Aktuell gibt es ausschließlich Methoden, um den TAC von makroskopischen Materialoberflächen zu bestimmen. Dabei werden auch schwer quantifizierbare Effekte der Oberflächenrauhigkeit mitgemessen. Der TAC in den Mikro- und Nanoporen eines heterogenen Gas-Feststoff-Gemisches ist jedoch messtechnisch nicht zugänglich. In der zweiten Veröffentlichung wird eine Methode vorgestellt, um die TACs verschiedener Gase an den Porenwänden von Fällungskieselsäure und pyrogener Kieselsäure miteinander zu vergleichen. Ein einfaches Modell aus der Stoßtheorie besagt, dass es beim Stoß einer Kugel mit einer Geschwindigkeit $v\neq 0$ auf eine gleich schwere, ruhende Kugel zur vollständigen Energieübertragung kommt (vgl. Billardkugeln). Das würde einem Akkommodationskoeffizienten von eins entsprechen. Je stärker die Massen der Kugeln voneinander abweichen, desto unvollständiger erfolgt der Energieübertrag. Wendet man dieses Modell auf ein Gasteilchen beim Wandstoß an, erhält man einen TAC von eins für $M_G = M_S$. Die Molmasse des Gasteilchens wird mit $M_G$, die der Feststoffoberfläche (hier von $SiO_2$) mit $M_S$ abgekürzt. Diese Annahme entspricht der kinetischen Gastheorie, es muss jedoch bedacht werden, dass hier einige wichtige Effekte vernachlässigt werden (z.B. Polarität, Rotationsenergie, Adsorptionseffekte). Da die Molmassen von $SiO_2$ und $SO_2$ nahezu identisch sind wird für diese Kombination $\alpha=1$ angenommen. Anschließend werden aus Wärmeleitfähigkeitsmessungen für sechs weitere Gase relativ zu $SO_2$ sogenannte scheinbare TACs bestimmt. Die ermittelten Werte folgen den Zusammenhängen der Stoßtheorie und können daher nachvollzogen werden. Für die Kombination Luft/$SiO_2$ ergibt sich $\alpha=0.41$ und $\alpha=0.33$ für Fällungs- bzw. pyrogene Kieselsäure. Obwohl diese Werte nicht als allgemein physikalisch gültig angesehen werden können und nur im Zusammenhang mit den vorgestellten Modellen gültig sind, kann die Annahme $\alpha=1$ für Luft widerlegt und die Signifikanz des thermischen Akkommodationskoeffizienten bewiesen werden. Die Gültigkeit der verwendeten Modelle für die Gaswärmeleitfähigkeit und die effektive Wärmeleitfähigkeit ist für die Bewertung der bisherigen Ergebnisse entscheidend. Deshalb wird in der nächsten Veröffentlichung zunächst eine Literaturrecherche solcher Modelle präsentiert. Dabei zeigt sich, dass sowohl für die effektive als auch für die Gaswärmeleitfähigkeit sowie für die darin enthaltenen Parameter eine Vielzahl unterschiedlicher Berechnungsmodelle existiert. Des Weiteren wird in der Regel keine Angabe dazu gemacht, welche Messwerte für die Partikel- und die Porengröße verwendet werden sollen, um die Modelle ordnungsgemäß auf verschiedene poröse Materialien anwenden zu können. Aus der Recherche werden die in der Literatur am häufigsten verwendeten Modelle extrahiert. Zusammen mit den unterschiedlichen Verwendungsmöglichkeiten der Messwerte für Poren- und Partikelgröße ergeben sich 2800 Kombinationsmöglichkeiten, um die gasdruckabhängige Wärmeleitfähigkeit der untersuchten Materialien zu berechnen. Alle Modellkombinationen werden mithilfe eines Computerprogrammes auf die 15 kommerziell erhältlichen, Silica-basierten Materialien angewendet. Diese setzen sich aus sechs Fällungskieselsäuren, drei pyrogenen Kieselsäuren, drei Silicagelen und drei Glasperlensorten zusammen. Alle Materialien wurden hinsichtlich ihrer gasduckabhängigen Wärmeleitfähigkeit in Kombination mit sechs verschiedenen Porengasen vermessen. Die Ergebnisse wurden mit denen der Berechnungen verglichen, um die für die jeweiligen Materialien am besten geeigneten Modellkombinationen zu ermitteln. Als Ergebnis werden materialspezifische Empfehlungen zur Berechnung ausgesprochen. Die mittlere Abweichung liegt, ohne die Verwendung von anpassbaren Parametern, bei 10\,\%. Um die Modelle für die Gaswärmeleitfähigkeit und den Kopplungsbeitrag sinnvoll vergleichen zu können, wurden die Anteile der Feststoffwärmeleitfähigkeit und der Strahlung aus den Messungen bei sehr kleinen Gasdrücken extrahiert. Die Ergebnisse sollen auf die reale Entwicklung von Superisolationen anwendbar sein. Deshalb wurden die favorisierten Modellkombinationen in der vierten Veröffentlichung mit Modellen für die Feststoff- und Strahlungsleitfähigkeit komplementiert. Somit können Parameterstudien über die Partikelgröße und die Porosität der verschiedenen Materialien durchgeführt werden. Damit der Einfluss der Porengrößenverteilung berücksichtigt werden kann, ohne für jedes Material und jede untersuchte Porosität eine Quecksilberporosimetrie-Messung durchführen zu müssen, wurde ein Modell entwickelt, um die Verteilungen aus nur einer Messung und der entsprechenden Porosität berechnen zu können. Um den Strahlungsanteil ordnungsgemäß miteinzubeziehen, wurden Fourier-Transform-Infrarotspektrometrie-Messungen durchgeführt. Auf diese Weise konnte der massenspezifische Extinktionskoeffizient der Materialien bestimmt werden. Die Ergebnisse der Parameterstudien können zukünftig bei der Auswahl der Kernmaterialien von Superisolationen eingesetzt werden. Ein Fokus der Arbeit liegt auf der gezielten Auslegung der Isolationskerne für verschiedene Anwendungen. Die präsentierte Vorgehensweise kann auch auf Materialmischungen mit Additiven, insbesondere mit Infrarottrübungsmitteln, übertragen werden, um Materialmischungen zweckgerichtet für verschiedene Gegebenheiten optimieren zu können. Somit liefert diese Arbeit einen zentralen Beitrag für den systematischeren Einsatz von Superisolationen. Durch die Verwendung von alternativen Kernmaterialien können Hochleistungsdämmstoffe noch mehr zur Energiewende beitragen, indem sie für weitere Wirtschaftssektoren attraktiv werden. Der Autor sieht in diesem Zusammenhang vor allem in der Verwendung von Fällungskieselsäuren ein großes Potenzial. Daher beschäftigt sich die Arbeit im Ausblick mit der gezielten Produktion von Kernmaterialien auf Basis von Fällungskieselsäure. Das neuartige Produktionsverfahren verspricht eine Verbesserung der Langlebigkeit der Paneele durch optimierte Aggregatstrukturen. Des Weiteren würde ein zeit- und kostenintensiver Prozessschritt in der VIP-Herstellung - das Vermischen der Trockensubstanzen - entfallen, da alle benötigten Komponenten bereits in der Flüssigphase dem Fällreaktor zugegeben werden würden. Dies würde zudem zu einer homogeneren Verteilung und besseren Haftung der Additive in bzw. an der Kieselsäure führen. Dadurch wird eine Verringerung des Trübungsmittelbedarfs und eine deutlich erhöhte Stabilität der Kernmaterialien erwartet. Diese Entwicklungen könnten entscheidend zu einer erfolgreichen Energiewende beitragen

Methodical selection of thermal conductivity models for porous silica-based media with variation of gas type and pressure

If the effective thermal conductivity of a silica powder in any gas atmosphere is to be calculated analytically, one is faced with a whole series of decisions. There are a lot of different models for the gas thermal conductivity in the pores, the thermal accommodation coefficient or the effective thermal conductivity itself in the literature. Furthermore, it has to be decided which input parameters should be used. This paper gives an overview and recommendations as to which calculation methods are best suited for the material classes of precipitated silica, fumed silica, silica gel and glass spheres. All combinations of the described methods result in a total of 2800 calculation models which are compared with pressure-dependent thermal conductivity measurements of 15 powdery materials with 7 different gases using Matlab computations. The results show that with a model based on a spherical unit cell, which considers local Knudsen numbers, the measuring points of all powder-gas combinations can be determined best with an average variance of about 18.5%. If the material class is known beforehand, the result can be predicted with an average accuracy of about 10% with the correspondingly determined methods

Advances in Heat and Mass Transfer in Micro/Nano Systems

The miniaturization of components in mechanical and electronic equipment has been the driving force for the fast development of micro/nanosystems. Heat and mass transfer are crucial processes in such systems, and they have attracted great interest in recent years. Tremendous effort, in terms of theoretical analyses, experimental measurements, numerical simulation, and practical applications, has been devoted to improve our understanding of complex heat and mass transfer processes and behaviors in such micro/nanosystems. This Special Issue is dedicated to showcasing recent advances in heat and mass transfer in micro- and nanosystems, with particular focus on the development of new models and theories, the employment of new experimental techniques, the adoption of new computational methods, and the design of novel micro/nanodevices. Thirteen articles have been published after peer-review evaluations, and these articles cover a wide spectrum of active research in the frontiers of micro/nanosystems

Proceedings of the 10th Australasian Heat and Mass Transfer Conference (AHMT2016)

Proceedings of The 10th Australasian Heat and Mass Transfer Conference (AHMT2016). The proceedings contain the selected full-length papers from the 10th Australasian Conference of Heat and Mass Transfer held in Brisbane, Australia on 14-15 July 2016. The conference was organised by Queensland University of Technology under the auspices of the Australasian Fluid and Thermal Engineering Society (AFTES) of Engineers Australia. Scientifically, these collected articles reflect recent progress made in heat and mass transfer in the Australasian community, including both fundamental and applied topics in the broad areas of convection, conduction, radiation, turbulence, multi-phase flow, combustion, drying, heat exchangers, phase change, computational methods, experimental methods, and other significant thermal processes in environmental, industrial, and process engineering. All the papers published in this volume were reviewed under a rigorous review process, where at least two reviews were received for each paper, according to the HERDC standard. The Organizing Committee is grateful to all of the contributors who made this volume possible. We would like to express our sincere appreciation to all authors and reviewers for their excellent contributions as well as the AHMT2016 scientific committee and financial support provided by Queensland University of Technology and Engineers Australi