Die Kühlung thermisch hoch belasteter Bauteile wird häufig mit Kühlverfahren realisiert, die auf dem Prinzip des Massetransports durch die Bauteilwand beruhen. Neben der Film- und Transpirationskühlung gehört die Effusionskühlung zu diesen Verfahren und basiert auf einer Reihe oder einem Raster von Bohrungen. Dieser Ansatz ermöglicht sowohl den Abtransport von Wärme aus dem Bauteil als auch die Ausbildung eines schützenden Kühlmittelfilms auf der Bauteiloberfläche. Viele Autoren beschäftigten sich in ihren Arbeiten mit den Auswirkungen der Filmkühlung auf den Wärmeübergang an der Bauteilwand und definierten einen Filmkühlwirkungsgrad, der die Effektivität der Kühlung widerspiegelt. Auch die Freistrahlen aus Effusionskühlbohrungen wurden mit diesen Mitteln untersucht und eine Vielzahl unterschiedlicher Einflussgrößen auf den Filmkühlwirkungsgrad identifiziert. Dazu gehören insbesondere geometrische Bedingungen, wie z.B. der Bohrungswinkel, das Verhältnis von Länge zu Durchmesser der Bohrung und die Austrittsgeometrie der Bohrungen. In späteren Beiträgen analysierten verschiedene Autoren die Einflüsse der Turbulenz sowie der Stoffwerte von Kühlmittel und Hauptströmung. Dabei kamen meist Luft und seltener Kohlendioxid oder Stickstoff als Kühlmittel zum Einsatz. In den letzten Jahren wurde das Verhalten des Kühlmittelstrahls vor allem numerisch untersucht. Dabei beschränkte sich das Berechnungsgebiet oftmals auf das direkte Umfeld der Effusionskühlbohrung und die Identifikation und Beschreibung auftretender Wirbelstrukturen. Der Bereich weiter stromab der Bohrung blieb oft unberücksichtigt. Die vorliegende Arbeit verfolgt den Ansatz, den Kühlmittelstrahl in der Hauptströmung zu beobachten. Das wird durch die Verwendung von Helium und Argon als Kühlmittel möglich, denn diese Gase können in der Luftströmung detektiert werden. Durch eine in zwei Richtungen bewegliche Kombisonde wird Gas aus der Grenzschicht abgesaugt und die Konzentration des Kühlmittels bestimmt. Die so an diskreten Punkten stromab der Effusionskühlbohrung erhaltenen Konzentrations- und Geschwindigkeitsprofile ermöglichen die Verfolgung des Kühlmittelstrahls und dessen Wechselwirkungen mit der Hauptströmung. Für eine vergleichende Analyse der gemessenen Profile entstand ein empirisches Verfahren zur Systematisierung der gesamten Messdaten. Die Definition einer mittleren Kühlmittelkonzentration innerhalb einer zweckmäßig festgelegten Höhe über der Wand und eines normierten Einblasparameters, der das Verhältnis der molaren Massen von Kühlmittel und Hauptströmung berücksichtigt, sind der Kern des empirischen Verfahrens. Für Vergleiche mit der Literatur erfolgte die Berechnung eines Filmkühlwirkungsgrads auf Basis der Massebilanz in der Grenzschicht und der mittleren Kühlmittelkonzentration. Während der Datenauswertung zeigte sich, dass der Bohrungswinkel einen geringen Einfluss auf die mittlere Kühlmittelkonzentration hat und so ein Bohrungswinkel von 30° ein guter Kompromiss zwischen Herstellungsaufwand und Kühlwirkung ist. Kühlmedien mit geringer molarer Masse und hoher spezifischer Wärmekapazität sollten bevorzugt werden, da deren Kühlwirkung hoch, der Einfluss auf die Grenzschicht aber gering ist. / The cooling of thermally heavily loaded components is commonly performed by injecting a mass flow through the component’s wall into the hot flow, which is called Film cooling. The main goal is to form a coolant film to reduce the hot side heat transfer and to absorb thermal energy in order to protect the component’s wall. There are different techniques available called film cooling, transpiration cooling and effusion cooling. By applying transpiration cooling, the cooling fluid is injected through a porous material into the hot gas flow. Unfortunately, these porous materials do not have the physical strength required to work within gas turbines. If the injection is done with a row or a pattern of holes so the cooling film is renewed at certain positions, the cooling technique is called effusion cooling. Film cooling means the injection of fluid through a slot without renewing the film. Many authors analyze the effect of the film or effusion cooling on the wall temperature, the heat transfer coefficient or the cooling effectiveness. Many influencing factors were identified, such as the length to diameter relation, the hole’s alignment, fluid properties as well as turbulence and vortices. Recent works use numerical simulations to investigate the turbulent flow and vortex development in the near field of the injection hole. Due to the complexity of the simulation, the effects far downstream area were not covered by these simulations. This work investigates the behavior of the cooling jet within the boundary layer above the wall. Therefore a foreign gas (Helium, Argon) was injected as coolant into a cross flow and a pitot probe was used to get gas samples out of the boundary layer and the coolant gas fraction was measured. The measured concentration was empirically systematized by comparative data analysis. Therefore, a mean concentration within a certain height above the wall was calculated. Also a normed blowing rate was used to include the molar masses of coolant and cross flow. With this mean concentration a cooling effectiveness is calculated based on a balance model and compared to the results in the literature. As a result of the data evaluation, the hole’s angle was found to have a minor influence on the mean coolant concentration. An angle of about 30° is a good compromise between production effort and cooling efficiency. Also coolant fluids with a low molar mass and high specific heat capacity should be preferred because of their low impact on the boundary layer.

In this study, the effects of submergence on local scour in a uniform cohesionless sediment bed by a plane turbulent wall jet and the resulting flow field were investigated experimentally. Here, submergence is defined as the ratio of the tailwater depth to the thickness of the jet at its origin. The main focus was to determine scour dimensions at an asymptotic state, examine whether there was similarity in the velocity profiles for the flow in the scour hole, and to determine the growth of the length scales and decay of the maximum velocity of the jet. Also examined were the relationships between the scales for the velocity field in the scour hole and the scour hole size.<p>In the experiments, the range of submergence was varied from 3-17.5, whereas the range of densimetric Froude number and the ratio of the boundary roughness to the gate opening (relative boundary roughness) were varied from 4.4-6.9 and 0.085-0.137 respectively. The velocity field in the scour hole at asymptotic state was measured using a SonTek 16-MHz MicroADV. Time development of the characteristic dimensions of the scour hole was also measured.<p>The dimensions of the scour hole were found to increase with increasing submergence for all experiments with a bed-jet flow regime. In the bed-jet flow regime, the jet remains near the bed throughout the scouring process. Further, the time development of the scour hole dimensions were observed to increase approximately linearly with the logarithm of time up to a certain time before the beginning of asymptotic state for experiments with either the bed-jet or surface-jet flow regimes.<p> The flow field results showed that the velocity profiles in the region of forward flow and the recirculating region above the jet were similar in shape up to about the location of the maximum scour depth. Relationships describing this velocity profile, including its velocity and length scales, were formulated. The decay rate of the maximum velocity, the growth of the jet half-width, and the boundary layer thickness were also studied. The decay and the growth rate of the jet length scales were found to be influenced by the submergence ratio, densimetric Froude number, and the relative boundary roughness.<p>Two distinct stages in the decay of the maximum streamwise velocity, with distance along the direction of flow, were observed for the jet flows having a bed-jet flow regime. The first stage of velocity decay was characterized by a curvilinear decay of velocity, which followed that of a wall jet on a smooth, rigid bed for streamwise distance approximately equal to 2L. For the surface-jet flow regime, the decay of velocity was observed to be similar to that of a free-jump on a smooth, rigid bed for a streamwise distance approximately equal to L. Here, L is defined as the streamwise distance measured from the end of the rigid apron to where the maximum streamwise velocity in the jet is half the velocity of the jet at the end of apron. The streamwise maximum velocity of the jet was then seen to increase in what was called the recovery zone.<p>A relationship for the streamwise decay of the maximum velocity within the scour hole is proposed. Moreover, other scales representing the flow inside the scour hole such as the streamwise distance from the end of the apron to where the streamwise maximum velocity starts to deviate from curvilinear to linear decay and the streamwise distance to where maximum streamwise velocity starts to increase are suggested. Some new results on the velocity distribution for the reverse flow for a bed-jet flow regime are also presented. Finally, some dimensionless empirical equations describing the relationship between the jet scales for the jet flow in a scour hole and the scour hole size are given.

In this study, the effects of submergence on local scour in a uniform cohesionless sediment bed by a plane turbulent wall jet and the resulting flow field were investigated experimentally. Here, submergence is defined as the ratio of the tailwater depth to the thickness of the jet at its origin. The main focus was to determine scour dimensions at an asymptotic state, examine whether there was similarity in the velocity profiles for the flow in the scour hole, and to determine the growth of the length scales and decay of the maximum velocity of the jet. Also examined were the relationships between the scales for the velocity field in the scour hole and the scour hole size.<p>In the experiments, the range of submergence was varied from 3-17.5, whereas the range of densimetric Froude number and the ratio of the boundary roughness to the gate opening (relative boundary roughness) were varied from 4.4-6.9 and 0.085-0.137 respectively. The velocity field in the scour hole at asymptotic state was measured using a SonTek 16-MHz MicroADV. Time development of the characteristic dimensions of the scour hole was also measured.<p>The dimensions of the scour hole were found to increase with increasing submergence for all experiments with a bed-jet flow regime. In the bed-jet flow regime, the jet remains near the bed throughout the scouring process. Further, the time development of the scour hole dimensions were observed to increase approximately linearly with the logarithm of time up to a certain time before the beginning of asymptotic state for experiments with either the bed-jet or surface-jet flow regimes.<p> The flow field results showed that the velocity profiles in the region of forward flow and the recirculating region above the jet were similar in shape up to about the location of the maximum scour depth. Relationships describing this velocity profile, including its velocity and length scales, were formulated. The decay rate of the maximum velocity, the growth of the jet half-width, and the boundary layer thickness were also studied. The decay and the growth rate of the jet length scales were found to be influenced by the submergence ratio, densimetric Froude number, and the relative boundary roughness.<p>Two distinct stages in the decay of the maximum streamwise velocity, with distance along the direction of flow, were observed for the jet flows having a bed-jet flow regime. The first stage of velocity decay was characterized by a curvilinear decay of velocity, which followed that of a wall jet on a smooth, rigid bed for streamwise distance approximately equal to 2L. For the surface-jet flow regime, the decay of velocity was observed to be similar to that of a free-jump on a smooth, rigid bed for a streamwise distance approximately equal to L. Here, L is defined as the streamwise distance measured from the end of the rigid apron to where the maximum streamwise velocity in the jet is half the velocity of the jet at the end of apron. The streamwise maximum velocity of the jet was then seen to increase in what was called the recovery zone.<p>A relationship for the streamwise decay of the maximum velocity within the scour hole is proposed. Moreover, other scales representing the flow inside the scour hole such as the streamwise distance from the end of the apron to where the streamwise maximum velocity starts to deviate from curvilinear to linear decay and the streamwise distance to where maximum streamwise velocity starts to increase are suggested. Some new results on the velocity distribution for the reverse flow for a bed-jet flow regime are also presented. Finally, some dimensionless empirical equations describing the relationship between the jet scales for the jet flow in a scour hole and the scour hole size are given.

Die Kühlung thermisch hoch belasteter Bauteile wird häufig mit Kühlverfahren realisiert, die auf dem Prinzip des Massetransports durch die Bauteilwand beruhen. Neben der Film- und Transpirationskühlung gehört die Effusionskühlung zu diesen Verfahren und basiert auf einer Reihe oder einem Raster von Bohrungen. Dieser Ansatz ermöglicht sowohl den Abtransport von Wärme aus dem Bauteil als auch die Ausbildung eines schützenden Kühlmittelfilms auf der Bauteiloberfläche. Viele Autoren beschäftigten sich in ihren Arbeiten mit den Auswirkungen der Filmkühlung auf den Wärmeübergang an der Bauteilwand und definierten einen Filmkühlwirkungsgrad, der die Effektivität der Kühlung widerspiegelt. Auch die Freistrahlen aus Effusionskühlbohrungen wurden mit diesen Mitteln untersucht und eine Vielzahl unterschiedlicher Einflussgrößen auf den Filmkühlwirkungsgrad identifiziert. Dazu gehören insbesondere geometrische Bedingungen, wie z.B. der Bohrungswinkel, das Verhältnis von Länge zu Durchmesser der Bohrung und die Austrittsgeometrie der Bohrungen. In späteren Beiträgen analysierten verschiedene Autoren die Einflüsse der Turbulenz sowie der Stoffwerte von Kühlmittel und Hauptströmung. Dabei kamen meist Luft und seltener Kohlendioxid oder Stickstoff als Kühlmittel zum Einsatz. In den letzten Jahren wurde das Verhalten des Kühlmittelstrahls vor allem numerisch untersucht. Dabei beschränkte sich das Berechnungsgebiet oftmals auf das direkte Umfeld der Effusionskühlbohrung und die Identifikation und Beschreibung auftretender Wirbelstrukturen. Der Bereich weiter stromab der Bohrung blieb oft unberücksichtigt. Die vorliegende Arbeit verfolgt den Ansatz, den Kühlmittelstrahl in der Hauptströmung zu beobachten. Das wird durch die Verwendung von Helium und Argon als Kühlmittel möglich, denn diese Gase können in der Luftströmung detektiert werden. Durch eine in zwei Richtungen bewegliche Kombisonde wird Gas aus der Grenzschicht abgesaugt und die Konzentration des Kühlmittels bestimmt. Die so an diskreten Punkten stromab der Effusionskühlbohrung erhaltenen Konzentrations- und Geschwindigkeitsprofile ermöglichen die Verfolgung des Kühlmittelstrahls und dessen Wechselwirkungen mit der Hauptströmung. Für eine vergleichende Analyse der gemessenen Profile entstand ein empirisches Verfahren zur Systematisierung der gesamten Messdaten. Die Definition einer mittleren Kühlmittelkonzentration innerhalb einer zweckmäßig festgelegten Höhe über der Wand und eines normierten Einblasparameters, der das Verhältnis der molaren Massen von Kühlmittel und Hauptströmung berücksichtigt, sind der Kern des empirischen Verfahrens. Für Vergleiche mit der Literatur erfolgte die Berechnung eines Filmkühlwirkungsgrads auf Basis der Massebilanz in der Grenzschicht und der mittleren Kühlmittelkonzentration. Während der Datenauswertung zeigte sich, dass der Bohrungswinkel einen geringen Einfluss auf die mittlere Kühlmittelkonzentration hat und so ein Bohrungswinkel von 30° ein guter Kompromiss zwischen Herstellungsaufwand und Kühlwirkung ist. Kühlmedien mit geringer molarer Masse und hoher spezifischer Wärmekapazität sollten bevorzugt werden, da deren Kühlwirkung hoch, der Einfluss auf die Grenzschicht aber gering ist. / The cooling of thermally heavily loaded components is commonly performed by injecting a mass flow through the component’s wall into the hot flow, which is called Film cooling. The main goal is to form a coolant film to reduce the hot side heat transfer and to absorb thermal energy in order to protect the component’s wall. There are different techniques available called film cooling, transpiration cooling and effusion cooling. By applying transpiration cooling, the cooling fluid is injected through a porous material into the hot gas flow. Unfortunately, these porous materials do not have the physical strength required to work within gas turbines. If the injection is done with a row or a pattern of holes so the cooling film is renewed at certain positions, the cooling technique is called effusion cooling. Film cooling means the injection of fluid through a slot without renewing the film. Many authors analyze the effect of the film or effusion cooling on the wall temperature, the heat transfer coefficient or the cooling effectiveness. Many influencing factors were identified, such as the length to diameter relation, the hole’s alignment, fluid properties as well as turbulence and vortices. Recent works use numerical simulations to investigate the turbulent flow and vortex development in the near field of the injection hole. Due to the complexity of the simulation, the effects far downstream area were not covered by these simulations. This work investigates the behavior of the cooling jet within the boundary layer above the wall. Therefore a foreign gas (Helium, Argon) was injected as coolant into a cross flow and a pitot probe was used to get gas samples out of the boundary layer and the coolant gas fraction was measured. The measured concentration was empirically systematized by comparative data analysis. Therefore, a mean concentration within a certain height above the wall was calculated. Also a normed blowing rate was used to include the molar masses of coolant and cross flow. With this mean concentration a cooling effectiveness is calculated based on a balance model and compared to the results in the literature. As a result of the data evaluation, the hole’s angle was found to have a minor influence on the mean coolant concentration. An angle of about 30° is a good compromise between production effort and cooling efficiency. Also coolant fluids with a low molar mass and high specific heat capacity should be preferred because of their low impact on the boundary layer.