Local heat flux in turbulent Rayleigh-Bénard convection
Final Report Abstract
Der konvektive Wärmeübergang von einer festen Oberfläche an ein umgebendes Fluid ist eine Fragestellung, die sowohl auf physikalischen als auch ingenieurtechnischen Feldern eine wesentliche Rolle spielt. Sei es der Wärmeaustausch zwischen Erdoberfläche und Atmosphäre, die Wärmeabgabe/-aufnahme von Heiz- und Kühlanlagen an die Innenluft von Gebäuden oder die Kühlung von elektronischen Halbleiterbauelementen durch ein umströmendes Fluid - die Vorhersage des Wärmestroms ist auch heute noch mit großen Unsicherheiten behaftet. Besonders prekär ist die Situation bei technischen Prozessen, in denen extrem große Wärmemengen über sehr kleine Flächen zu- oder abgeführt werden müssen, wie z. B. in Verbrennungsmaschinen, Wärmetauschern für die Erzeugung von Elektroenergie oder an Leistungshalbleitern in der Energieversorgung. Hier möchte man insbesondere Inhomogenitäten im Wärmeübergang, so genannte „Hot Spots“vermeiden, da diese sehr schnell zur Zerstörung der Bauelemente führen können. Unser Ziel im bearbeiteten Projekt war es, diese Fragestellung unter Einsatz moderner Infrarotthermografie an einer freien Konvektionsströmung zu untersuchen. Die experimentellen Arbeiten wurden im 7,15 m durchmessendem und insgesamt 8,00 m hohem „Ilmenauer Fass“durchgeführt. In dieser experimentellen Anlage wird eine bis zu 6,30 m dicke Luftschicht von unten beheizt und von oben gekühlt und durch die Dichteunterschiede im Schwerefeld der Erde eine Konvektionsströmung in Gang gesetzt. In Abhängigkeit von der Geometrie, in unserem Fall vom Verhältnis der horizontalen zur vertikalen Ausdehnung der Fluidschicht bilden sich charakteristische Strömngsmuster aus, die die Verteilung der Wärmestromdichte an der Heizfläche am Boden und an der Kühlfläche am oberen Rand der Luftschicht bestimmt. Eine der wesentlichen Innovationen des bearbeiteten Projektes war es, die Verteilung der Wärmestromdichte mittels Infrarotkamera erstmals direkt und räumlich hochaufgelöst zu messen. Die dafür notwendige Technologie fur die 40 m2 große Fläche der Heizplatte des Ilmenauer Fasses wurde in den ersten beiden Jahren des Projektes entwickelt und zunächst an einer kleineren Rechteckzelle mit einer Grundfläche von 2,50 x 0,62 m2 erprobt. Für diese Zelle standen aus einer gemeinsamen Messung mit dem DLR Köln, die im Rahmen einer DFG-Forschergruppe durchgeführt wurde, Messdaten des wandnahen Strömungsfeldes an der beheizten Bodenplatte zur Verfügung. Zusammen mit den Daten der lokalen Wärmestromdichte an der Oberfläche der Heizplatte ergibt sich nun ein geschlossenes Bild über die Evolution der konvektiven Grenzschicht am Übergang Festkörper-Fluid. Insbesondere wurde damit nachgewiesen, dass vertikale Seitenwinde einen erheblichen Einfluss auf den konvektiven Wärmeubergangskoeffizienten bzw. dessen dimensionsloses Pedant, die Nusseltzahl haben, die in deren näherer Umgebung um bis zu 32% uber dem Mittelwert liegen können. Dies ist ein eindeutiges Zeichen dafür, dass Skalentheorien zum Wärmetransport deshalb vorzugsweise in Modellexperimenten mit großer lateraler Ausdehnung evaluiert werden sollten. In der zweiten Hälfte des Projektzeitraumes wurde die Messtechnik an das „große“ Fass adaptiert. Unter Nutzung der in der kleineren Rechteckzelle gewonnenen Erkenntnisse zur charakteristischen Verteilung des Wandwärmestromes entlang des Pfades einer einzelnen Konvektionszelle konnte in verschiedenen zylindrischen Geometrien auf die globale Strömungsstruktur rückgeschlossen werden. Anhand der Wahrscheinlichkeitsdichteverteilung von erschiedenen Strömungsmoden (Einrollenstruktur, Zweirollenstruktur oder Multirollenstruktur) wurden die Aspektverhältnisse (Durchmesser/Höhe) bestimmt, bei denen es zu einer Transition zwischen den einzelnen Strömungsmoden kommt.
Publications
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Robert Kaiser, Ronald du Puits
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Robert Kaiser, Ronald du Puits
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Robert Kaiser, Ronald du Puits
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Robert Kaiser, Ronald du Puits
(See online at https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2014.02.033) - Wärmestromverteilung in turbulenter Rayleigh-Bénard Konvektion
Robert Kaiser
