Experimental investigation and modeling of contact heat transfer

  • Experimentelle Untersuchung und Modellierung zur Kontaktwärmeübertragung

Ustinov, Victor Alexandrovic; Kneer, Reinhold (Thesis advisor); Mitrovic, Jovan (Thesis advisor)

Aachen (2018, 2020)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2018

Kurzfassung

Das Thema dieser Doktorarbeit befasst sich mit experimenteller und theoretischer Analyse von Prozessen und Phänomenen, die bei der Kontaktwärmeübertragung zwischen zwei mechanisch und thermisch belasteten Körpern stattfinden. Die experimentelle Untersuchung von Kontaktwärmeübertragungsprozessen ist in einer großen Variation von Einflussparametern analysiert worden. Die theoretische Beschreibung, bzw. Modellierung von experimentell definierten Prozessen wird ebenfalls in der vorgelegten Forschungsarbeit zusammengefasst. Diese Analyse ist in zehn Kapitel unterteilt. Das zweite Kapitel beginnt mit dem Stand der Technik der Kontaktwärmeübertragung und fasst die wichtigsten Forschungsrichtungen des vergangenen Jahrhunderts zusammen. Hierbei wird ein Überblick der Methodologie zur Bestimmung des thermischen Widerstands, sowie der numerischen Ermittlung des Kontaktwärmeübergangs dargestellt. Die führenden experimentellen Messmethoden zur Ermittlung des thermischen Wiederstands, z.B. stationäre, non-invasive und Ultraschall-Thermographie werden analysiert und verglichen. Theoretische Modelle und Methoden zur Ermittlung des Wärmeübergangskoeffizienten sind auch in der Arbeit erwähnt und analysiert. Die Analyse der Modelle, aus der Literatur zur Bestimmung der Wärmeübergangskoeffizienten, hat gezeigt, dass der Großteil der bekannten Modelle auf der Basis von Experimenten im Vakuum abgeleitet wurden und für reale Anwendungen nur bedingt geeignet sind. Kontaktwärmeübertragung bei geringem Kontaktdruck bis ca. 10 MPa kann mit den vorhandenen Modellen durch eine hinreichende und akzeptable Korrelation abgebildet werden. Bei höherem Kontaktdruckbereich bis zu 250 MPa, diese ist vor allem relevant und wichtig bei der Auslegung von Verbrennungskraftmotoren, ist es nicht möglich mit den bekannten Modellen eine akzeptable Näherung zu beschreiben. Der Term „Kontakt“ aus dem Begriff „Kontaktwärmeübertragung“ steht an der ersten Stelle und wird besonders präzise, bezüglich seines Einflusses auf die Wärmeübertragung untersucht. In diesem Zusammenhang werden diverse Methode und Modelle zur Bestimmung der Kontaktfläche zwischen den Festköpern überprüft. Die Analyse der bekannten Methoden zeigte nur eine bedingte Anwendbarkeit bei der Bestimmung der Kontaktfläche. In der Zusammenfassung des zweiten Kapitels ist postuliert, dass eine neue Methodologie zur Ermittlung der Kontaktwärmedurchgangskoeffizienten entwickelt werden muss. Die erforderliche Genauigkeit des Kontaktdrucks über 10 MPa kann mit Hilfe präziser Messtechnik und unter Berücksichtigung der realen Kontaktflächen erreicht werden. Die Experimente zum Kontaktdruckbereich von 1 bis ca. 250 MPa wurden mit einer servohydraulischen Prüf-/Druck-Maschine (MTS 810) durchgeführt. Die Temperaturerfassung wurde durch eine Hochgeschwindigkeits-Infrarotkamera mit der Genauigkeit 0,5 K realisiert. Die Oberflächeneigenschaften wurden mit einer Stift-Profilmeßeinrichtung mit einer Genauigkeit von 0,1 µm ermittelt. Messmethodik und Datenverarbeitung sind im dritten Kapitel dargestellt. Alle Experimente sind für eine vielseitige Materialkombination, mit drei verschiedenen Oberflächenstrukturen durchgeführt worden. Der Kontaktdruck der Experimente variiert zwischen 7 MPa bis 230 MPa, die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen sind im vierten Kapitel dargestellt. Auf der Basis von experimentellen Ergebnissen und numerischen Untersuchungen wurde empirisch ein neuer Ansatz für die Berechnung des Wärmeübergangskoeffizienten entwickelt. Das thermische und mechanische Verhalten der Materialien, unter Berücksichtigung der elastischen und plastischen Verformungen, in Abhängigkeit der Oberflächeneigenschaften und des Kontaktdrucks wurden ebenfalls berücksichtigt. Ergebnisse der empirischen Analyse sind im fünften Kapitel präsentiert. Die mittlere Oberflächenrauheit (Rz) wurde als kennzeichnender Parameter der Oberflächenstruktur ausgewählt. Da die Ergebnisse jedoch keinen einheitlichen Trend gezeigt haben, wird in dieser Forschungsarbeit der Parameter Rz durch die reale Kontaktfläche zwischen den beiden Oberflächen ersetzt. Diesbezüglich wird ein Ansatz basierend auf der fraktalen Theorie angewandt. Wie bei den Autoren in [1, 2, 3, 4, 5] bei der Prozessbeschreibung der Siede-Dynamik auf einer mikrostrukturierten Oberfläche, wird auch in dieser Arbeit zur Abschätzung der realen Kontaktfläche zwischen zwei realen Festkörpern vorgegangen. Die entstandene Methode namens Fk-Modell wird in ein hochpräzises Kontakt-Modell überführt und durch die durchgeführten experimentellen Ergebnisse validiert. Zur Vereinfachung den komplizierten Auswertungsmethoden der Kontaktwärmeübergangskoeffizienten wurde zusätzlich ein einfaches Engineering-Modell entwickelt. Das Engineering-Modell berücksichtigt den Grad der Oberflächenveränderung, sowie die bekannten Parameter der thermischen Eigenschaften und der Materialeigenschaften. Zusätzlich sind zwei weitere Modelle, ein Power-Low- (Näherungsmodell) und ein Analytical Modell (FEM-basiert) in der Projektzusammenarbeit entstanden. Diese Modelle sind ebenfalls in dieser Forschungsarbeit, mit den gewonnenen Ergebnissen dargestellt und verglichen. In dieser Arbeit wird die Aufmerksamkeit auf die neuen kontaktdruckabhängigen Phänomene der Temperaturschwankungen gerichtet. Die Art dieser Schwankungen wird entsprechend der Stabilität und der Chaostheorie untersucht. Sogenannte Phasenporträts von Temperatur und Kontaktwärmeübertragungsschwingungen für die unterschiedlichen Kontaktdrücke wurden vorgestellt und diskutiert. Mögliche mechanische Einwirkungen auf die Phänomene, z.B. die Eigenvibrationen des Prüfstands sind zusätzlich untersucht worden. Die Zwischenzusammenfassung, sowie eine Empfehlung an der Weitererforschung von Schwingungsphänomen bei der Kontaktwärmeübertragung wurde ebenfalls formuliert. Das in dieser Forschungsarbeit gewonnene Wissen über die Kontaktwärmeübertragungsphänomene wird im Kapitel Schlussfolgerungen zusammengefasst.

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