Numerische und experimentelle Untersuchung synthetischer Jets zur Kühlung von Punkt-Wärmequellen

In der vorliegenden Arbeit werden das Strömungsverhalten und die Transition synthetischer Jets sowie deren Einsatz als Prallstrahlen numerisch und experimentell untersucht. Synthetische Jets werden durch die periodische Bewegung einer Membran innerhalb einer Kavität, welche durch eine Düse an das Umgebungsfluid gekoppelt ist, erzeugt. Ihre technische Nutzung liegt üblicherweise im Bereich der aktiven Strömungsbeeinflussung und der Kühlung von (Punkt-) Wärmequellen. Letzteres stellt als potenzielle Anwendung zur Entwärmung von Hochleistungs-LEDs die Motivation für diese Arbeit dar. Der Aufbau des Jet-Ejektors und des Prüfstands als auch das CFD-Modell und seine Randbedingungen werden vorgestellt. Es werden Jets unterschiedlicher Amplitude und Frequenz mittels Hochgeschwindigkeitskameras visualisiert. Zudem werden Wärmeübergangsmessungen an einer Prallplatte durchgeführt. Die Berechnungsmethode kommt im Rahmen von detaillierten Analysen einzelner Konfigurationen freier Jets und von Prallstrahlen zum Einsatz. Synthetische Jets weisen einen Drall auf, welcher seinen Ursprung in der Kavität hat. Die Rotation resultiert in einer schnelleren Divergenz und Entschleunigung der Freistrahlen. Beide führen zunächst zu Störungen und zum Wirbelzerplatzen des primären Wirbels und der sekundären Wirbel und schließlich zur Turbulenz der Jets. Die räumliche und zeitliche Verlängerung des laminaren Bereichs ist durch eine Anhebung der Höhe der Kavität möglich. Die vertikale Anordnung von Jet zu Wärmequelle weist insgesamt eine höhere Kühlleistung auf als die horizontale. Eine Schwingungsanregung des gesamten Aufbaus hat eine Reduktion des Wärmeübergangs zur Folge. Die Prallplatte verursacht eine zusätzliche Störung des Jets und resultiert im Allgemeinen in einem Vorziehen der Transition in Raum und Zeit. In den Berechnungen zeigt sich zudem eine regelmäßige und wiederkehrende Auslenkung der Prallstrahlen durch seitliches Zuströmen von Aufprallwirbeln, welche die Nusselt-Zahlen durch entrainment von erwärmtem Fluid reduzieren.In this work flow characteristics and the transition of synthetic jets are investigated numerically and experimentally by visualisations. The calculation of the 3D model with the CFD tool STAR-CD combines a Quasi-DNS and diaphragm oscillation via mesh movement. Novelty of this work is the extensive analysis and explanation of why synthetic jets result to transition and turbulent flow. High power LEDs being used for low and high beam in automotive lighting need active cooling of their heat sinks by radial or axial fans. But the moving elements of the fan cause abrasion, noise and high energy consumption. Synthetic jets are generated by the periodic movement of a diaphragm within a cavity, which is connected to the ambient fluid (air) via an orifice. They can replace conventional fans with their disadvantages and allow the directed cooling of LEDs. The motivation of this work is to investigate synthetic jets as an alternative to cooling LEDs with fans. It is shown that the jets exhibit swirl which originates from the cavity. The rotation of the flow arises during the suction phase on impact of the inner vortex ring with the diaphragm. The swirl accelerates the divergence and the reduction of the synthetic jets axial velocity. Because of the associated increase in static pressure along the jet axis, free stagnation points occur at the points at which the dynamic pressure is compensated. The primary vortex ring displaces its stagnation region in front of it in the direction of propagation and is decelerated and deformed in the process. This results in disruptions, which are increasingly amplified, so that the ring ultimately breaks down. The transition starts and includes the secondary vortex rings, as a result of which the laminar-turbulent transition moves in the direction of the orifice. As dissipation of the primary vortex ring increases, the transition height shifts again in the direction of jet propagation. Spatial and temporal extension of the laminar region is possible by increasing the height of the cavity, because this reduces the formation of swirl structures in the cavity. It is further shown that for impinging jets the impact plate brings forward the laminar-turbulent transition of the jets. Depending on the distance of the impact plate, contact with the plate occurs when the jet is laminar or already turbulent. The primary vortex ring flows laterally along the plate after impact. It does so more quickly, the more powerful the impulse. The impact plate further disrupts the jet by increasing swirl and an increase in stagnation of the secondary vortex rings. This causes the transition to occur earlier spatially and temporally. The investigation also shows that the heat source should not be positioned in the region of the free jet’s transition height. When the heat source integrated into the impact plate is cooled, the Nusselt number rises as the jet’s frequency increases. The increase in frequency, in this case, has a stronger positive influence on the heat transfer than an increase in amplitude. The vertical orientation of the jet to the heat source results in better heat transfer than the horizontal orientation. If the ambient temperature is increased, the Nusselt numbers always fall. The relationships between cooling performance and jet, however, remain largely similar. If the entire structure made up of jet ejector and impact plate is oscillated, impact on the heat source is no longer optimum because of the relative offset of the synthetic jet. As a result, the Nusselt numbers also fall in this case. In the analysed configuration, displacement of the impact jets as a result of lateral inflow of the primary vortex rings from previous ejection cycles was observed. The entrainment of the warmer fluid and partial lack of the heat source cause the heat transfer to collapse. The maximum cooling performance is achieved for all jet configurations with moderate distances between the orifice and the impact plate. In this case the jet reaches its highest mass flow and impulse and its lowest temperature