Modelling the bird flight : Scientific Report 2007-2010

The aerodynamics of flying birds and insects plays a crucial role in the domain of aeronautical engineering. The energy-efficient construction of winglets for airplanes, the formation flight of tactical aircraft or the drone engineering or military applications are inspired by birds. This holds also for flow and structure simulation of flapping wing motion, taking the unsteady aerodynamics and corresponding wing deformations into account at high flow velocities and flapping frequencies

Wake Shape and Height Profile Measurements in a Concave Open Channel Flow Regarding the Target in DONES

Wakes appearing downstream of disturbances on the surface of a water flow in a concave open channel were examined experimentally. The investigated channel geometry was similar to the liquid lithium target in DONES (Demonstration fusion power plant Oriented NEutron Source). The objective of the measurements was to analyze the effect of a disturbance on the downstream layer thickness. For measuring the height profiles in the channel, an optical measurement system based on laser triangulation was developed. It was shown that the wake of the undisturbed flow emerged from the nozzle corner, which was in accordance with analytical solutions. For sufficiently large disturbances at the nozzle edge, the height profiles located downstream showed symmetrical minima and maxima on both sides of the disturbance. The wake depth strongly depended on the diameter and penetration depth of the disturbance, as well as the circumferential position in the channel, which yields to a critical wake depth of one millimeter for the lithium target in DONES

Laser-Doppler- und Hitzdraht-Anemometrie-Messungen entlang V-förmiger angehobener Rippen in einem quadratischen Kanal

Der Einsatz von Rippenstrukturen auf Wärmetauscheroberflächen führt zu einer erhöhten Wärmeübertragung zwischen Arbeitsfluid und Komponentenwand. Eine Möglichkeit lokale Wärmeübertragungsminima infolge von stationär auftretenden Staupunkt- und Rezirkulationsströmungen hinter den Rippen zu vermindern bzw. zu vermeiden, bietet das Anheben der Rippen um kleine Abstände von der thermisch belasteten Wand. In der vorliegenden Arbeit wird das anhand von Geschwindigkeitsmessungen mittels Laser-Doppler-Anemometrie (LDA) und Hitzdraht-Anemometrie (HWA) abgeleitete Strömungsbild einer turbulenten Strömung in einem einseitig mit angehobenen V-förmigen Rippen strukturierten Kanal bei einer (für Hochtemperaturanwendungen typischen) Reynolds-Zahl von Re$_H$ = 5,0 · 10$^4$ diskutiert. Das Rippenabstand-Rippenhöhe-Verhältnis war 9, die Verblockungsrate betrug 10% und das Spalthöhe-Rippenhöhe-Verhältnis lag bei 0,5. Die gemessenen mittleren Geschwindigkeitsverläufe und Reynolds-Spannungs-Verläufe deuten auf eine ausgeprägte Dreidimensionalität des Strömungsfeldes oberhalb und unterhalb der Rippe hin. Im Strömungsbereich oberhalb der Rippe bildet sich eine durch die Rippenanstellung induzierte Sekundärströmung aus. Der daraus result-ierende Fluidtransport in Querrichtung führt zu unterschi-edlichen Entwicklungen der an den Rippenhinterkanten ablösenden Scherschichten, wodurch die Reynolds-Normal- und Scherspannungen erheblich in Querrichtung variieren. Durch das aus dem Rippenspalt austretende, aufwärtsgerichtete Fluid wird ein permanentes Wiederanlegen der abgelösten Scherschichten und somit das stationäre Auftreten von Staupunkt- und Rezirkulationsströmungen in Wandnähe verhindert. Darüber hinaus zeigt sich, dass als Folge der hohen Dreidimensionalität des Strömungsfelds und der Rippenreihenkonfiguration die Nachlaufströmung durch ein beim Ablösevorgang der Scherschichten einsetzenden instationären periodischen Strömungsvorgang bestimmt wird. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Einsatz von angehobenen V-förmigen Rippen als Strukturierungsmethode in Kanälen von Wärmetauschern, aufgrund der Vermeidung von Staupunktströmungen sowie einer intensiven konvektiven und turbulenten Durchmischung innerhalb des Rippenzwischenbereichs, zu einer hohen und über die Wärmeübertragungsfläche homogenisierten Wärmeübertragung führen könnten

Options for a high heat flux enabled helium cooled First Wall for DEMO

Helium is considered as coolant in the plasma facing first wall of several blanket concepts for DEMO fusion reactors, due to the favorable properties of flexible temperature range, chemical inertness, no activation, comparatively low effort to remove tritium from the gas and no chemical corrosion. Existing blanket designs have shown the ability to use helium cooled first walls with heat flux densities of 0.5 MW/m2. Average steady state heat loads coming from the plasma for current EU DEMO concepts are expected in the range of 0.3 MW/m2. The definition of peak values is still ongoing and depends on the chosen first wall shape, magnetic configuration and assumptions on the fraction of radiated power and power fall off lengths in the scrape off layer of the plasma. Peak steady state values could reach and excess 1 MW/m2. Higher short-term transient loads are expected. Design optimization approaches including heat transfer enhancement, local heat transfer tuning and shape optimization of the channel cross section are discussed. Design points to enable a helium cooled first wall capable to sustain heat flux densities of 1 MW/m2 at an average shell temperature lower than 500 °C are developed based on experimentally validated heat transfer coefficients of structured channel surfaces. The required pumping power is in the range of 3–5% of the collected thermal power. The FEM stress analyses show code-acceptable stress intensities. Several manufacturing methods enabling the application of the suggested heat transfer enhanced first wall channels are explored. An alternative cooling technology is suggested, extending the tolerable heat loads up to 3 MW/m