Verwirbelungselemente

Verwirbelungselemente sind passive Strömungssteuerungselemente, die darauf ausgelegt sind, kontrollierte Wirbel in einer Fluidströmung zu erzeugen. Ziel ist es, die Grenzschicht zu energetisieren, Trennungen zu verzögern oder zu verhindern, den Wärmeübergang zu beeinflussen sowie Misch- und Turbulenzeffekte gezielt zu steuern.

Funktionsprinzip: Durch geometrische Störungen an der Oberfläche divergieren Strömungslinien und es bilden sich Wirbelströme, meist longitudinale Wirbel. Diese Wirbel transportieren Energie aus dem äußeren, schnelleren Strömungsbereich in die Grenzschicht, erhöhen deren Frischhaltevermögen und verbessern so meist die Randbedingungen für weitere Strömungsvorgänge. Die Wirbelgröße, -struktur und Wirkung hängen von der Geometrie, dem Einlaufwinkel und dem Reynolds-Zahlbereich ab.

Bauformen: Verwirbelungselemente liegen in verschiedenen Bauformen vor, darunter flache Verwirbelungsleisten (Fence-Typen), Schaufel- bzw. Vane-Verwirbler, Delta- oder Scherenschnitt-Formen sowie Draht- oder Stäbchenverwirbler. Oft werden mehrere Einheiten in einer Reihe oder in einem Gittersystem angeordnet, um eine gleichmäßige Wirbelbildung zu erzielen.

Anwendungen: In der Luftfahrt dienen Verwirbelungselemente der Verzögerung von Grenzschichtablösungen bei erhöhten Auftriebsanforderungen, in Gasturbinen der Grenzschichtenergisierung zur Leistungssteigerung und Temperatur- bzw. Druckverteilung. Sie werden auch in Wärmeübertragern, Chemie- und Verbrennungssystemen eingesetzt, um Mischungen und Wärmeaustausch zu verbessern.

Design und Einschränkungen: Die Wirkkraft hängt von Platzierung, Anordnung, Neigung, Größe und dem Strömungszustand ab. Falsch dimensionierte oder schlecht platzierte Elemente erhöhen oft den Druckverlust und verursachen zusätzliche Belastungen. Ihre Nutzung erfordert daher eine sorgfältige Auslegung, meist basierend auf Strömungssimulationen und Experimenten.