Numerische und experimentelle Untersuchungen zum Wärmetransport in einem Automobilscheinwerfer

In der vorliegenden Arbeit wird der Wärmetransport in einem Automobilscheinwerfer numerisch und experimentell untersucht. Der Wärmetransport wird durch das gleichzeitige Auftreten von Konvektion, Wärmeleitung und Wärmestrahlung charakterisiert. Im vorliegenden Fall dominiert Strahlung den Wärmetransport. Durch die gekoppelten Transportmechanismen bilden sich lokale Überhitzungen (sog. Hot Spots) an Gehäuse und Abschlussscheibe. Das Entstehen dieser Hot Spots und damit ein Verständnis des Wärmetransports gehören zu den Schwerpunkten der Arbeit. Zur Modellierung des gekoppelten Wärmetransports werden zwei- und dreidimensionale numerische Modelle entworfen. Die numerische Simulation wird mit Hilfe eines kommerziellen Strömungssimulationsprogramms STAR-CD durchgeführt, das über die DTRM-Methode zur Strahlungsberechnung verfügt. Diese Methode beschränkt die Strahlungsberechnung auf die diffuse Komponente. Die gerichtete Komponente bleibt zunächst unberücksichtigt. Das Verhalten des Wärmetransports wird in 2D-Modellen in verschiedenen Kombinationen untersucht: reine Konvektion, reine Strahlung und Konvektion gekoppelt mit Strahlung. Als Ergebnis werden Korrelationen zum Wärmeübergang ermittelt und daraus Maßnahmen zur Reduzierung des Temperaturniveaus des Hot Spots abgeleitet. Dazu zählen die Erhöhung der konvektiven Kräfte (Erhöhung der Ra-Zahl), die Reduzierung des Emissionsgrads der Lampe und die Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit der Abschlussscheibe (Reduzierung Rl). Anschließend werden die Ergebnisse aus der 2D-Simulation in der 3D-Geometrie verifiziert. Neben der numerischen Modellierung werden die strömungsmechanischen Phänomene auch experimentell untersucht. Dafür werden Versuchsmodelle zur Strömungs- und Temperaturanalyse aufgebaut. Die Strömungsanalyse wird mit Hilfe eines optischen PIV- Messverfahrens (Particle Image Velocemetry) durchgeführt. Damit wird sowohl das globale Strömungsfeld als auch die Strömung in der Nähe des Hot Spots an der Scheibe analysiert. In einem weiteren Experiment wird das Verhalten des Hot Spots in Abhängigkeit vom Innendruck experimentell untersucht. Mittels der Druckvariation wird das Verhältnis zwischen Konvektion und Strahlung verändert. Dazu wird der Wärmetransport in einem Parameterbereich untersucht, für den bisher keine Untersuchungen vorliegen. So kann die Ra- Zahl im Bereich 10 < Ra < 1000000 variiert werden. Zur Analyse des Wärmeübergangs wird eine neuartige Messmethode vorgestellt, die auf dem Einsatz einer Leuchtdichtemesskamera in Verbindung mit thermochromen Flüssigkristallen basiert. Diese Methode wird zur berührungslosen Bestimmung der Temperaturverteilung auf der Innenseite des Modells eingesetzt. Gleichzeitig wird die Temperaturverteilung an Außenoberflächen mittels Infrarot- Messkamera erfasst. Dadurch können Aussagen zum Wärmeübergang an der Abschlussscheibe getroffen werden. Die Anwendung dieser Methode an einem Scheinwerfermodell zeigt die Genauigkeit von +/- 0.35 im Vergleich zu Standardmethoden. Die Erkenntnisse aus numerischen und experimentellen Untersuchungen werden für die Analyse des Wärmetransports in einem realen Scheinwerfer angewandt. Die DTRM-Methode mit der diffusen Strahlung führt zu großen Abweichungen zur Realität. Zur Verbesserung der Strahlungsmodellierung wird eine optimierte Berechnungsmethode entwickelt, die auf der Kopplung zwischen einem kommerziellen Strömungssimulationsprogramm und einem Ray Tracing Programm beruht. Mit diesem Verfahren gelingt es, die korrekte Lage des Hot Spots und dessen Temperaturniveau in realer Geometrie zu bestimmen.