Empirical model for evaluating jet impingement heat transfer in presence of a spatially varying heat source

• Ein empirischer Ansatz zur Auslegung des Wärmeübergangs von Prallstrahlen bei örtlicher Variation der Wärmequelle

Sabelberg, Enno; Kneer, Reinhold (Thesis advisor); de Doncker, Rik W. (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021, 2022)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Kurzfassung

Die Prallstrahltechnik ist ein Kühlansatz mit hohem lokalem Wärmeübergang. Im Bereich der Leistungselektronik wurden in den letzten Jahren große Fortschritte erzielt mit starkem Anstieg der Leistungsdichten. Aufgrund der dadurch entstehenden hohen lokalen Verlustwärmeströme ist die Prallstrahltechnik ein vielversprechender Ansatz für die Kühlung von Leistungselektronik-Modulen. Eine Auslegung ist jedoch schwierig, da die numerische Simulation von Prallstrahlen, besonders mehrdimensional, sehr rechenintensiv ist. In dieser Arbeit wird die Prallstrahlkühlung mit Bezug auf die Reduzierung der Rechenzeit untersucht. Dazu werden Methoden entwickelt, die das Temperaturfeld für verschiedene Prallstrahlkonfigurationen lösen können. Das komplexe Problem der Prallstrahlkühlung wird schrittweise vereinfach und separat gelöst. Die Teillösungen werden anschließend kombiniert um das Gesamtsystem zu lösen. Zuerst wird der rotationssymmetrische Prallstrahl mit partiellem Wärmestrom simuliert und aus den Ergebnissen werden Korrelationen abgeleitet. Die Korrelationen werden mit dem Prinzip der Superposition kombiniert, um eine Lösung für beliebig zugeführten Wärmestrom zu erhalten. Anschließend wird die Superpositions-Methode erweitert, so dass das Temperaturfeld für einen beliebigen zweidimensionalen Wärmestrom aufgelöst werden kann. Ein weiteres Model erweitert die Prallstrahl-Konfiguration um eine wärmeleitende Zwischenschicht. Dazu wird die Superpositions-Methode mit einem Wärmeleitungsmodel kombiniert. Die Methode kann einen Prallstrahl kombiniert mit Zwischenschicht zuverlässig berechnen mit stark reduzierter Simulationszeit verglichen zu numerischen Simulationen. Diese Arbeit präsentiert zuverlässige und schnelle Methoden zur Berechnung von Prallstrahlen verschiedener Konfigurationen. Der Fokus liegt auf der Temperaturberechnung für beliebig zugeführten Wärmestrom, beispielhaft im Bereich der Leistungselektronikkühlung. Aufgrund der schnellen Berechnungszeit vereinfachen die entwickelten Methoden die Auslegung von prallstrahlgekühlten Systemen.