Modelluntersuchungen zu turbulenten Strukturbildungsprozessen in Raumluftströmungen mittels Experimenten an komprimiertem Schwefelhexafluorid in einem weiten Kennzahlbereich
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im vorliegenden Bericht werden, ausgehend von drei Arbeitshypothesen, die erfolgreich erzielten Ergebnisse hinsichtlich des Hysterese-Verhaltens der Transition der großskaligen Strukturen in turbulenter, gemischter Konvektion zusammengefasst. Die Arbeitshypothesen basieren dabei auf Vorüberlegungen, welche wiederum auf Erkenntnissen vorangegangener Geschwindigkeits- und Temperaturmessungen sowie Visualisierungen basieren. Daher war zu Beginn des Forschungsvorhabens bereits die Topologie der Strukturen bekannt. Im Zuge der Untersuchungen wurde nun geklärt, inwieweit die Strukturen von den Kennzahlen, welche das System hinreichend beschreiben, abhängen. Die charakteristischen Kennzahlen sind die Rayleigh-Zahl Ra, die Reynolds-Zahl Re und die Prandtl-Zahl Pr. Diese drei Kennzahlen werden zur Archimedes-Zahl Ar zusammengefasst. Um die Strukturtransition zu untersuchen, wurde die SCALEX-Anlage verwendet. Dies ist eine experimentelle Großanlage, mit welcher eine Variation der genannten Kennzahlen in einem hohen Parameterbereich beliebig möglich ist. Diese SCALEX-Anlage wurde bereits in vorangegangenen Untersuchungen verwendet, ebenso wie der verwendete Modellraum. Dieser ist einer Passagierkabine nachempfunden. Für die Untersuchung der drei Arbeitshypothesen wurde das Geschwindigkeitsfeld der Strömung analysiert, wobei die Messung der Geschwindigkeit mit einem Partikel-Image-Velocimetry-(PIV)-System erfolgte. Aus den Geschwindigkeitsfeldern wurde wiederum der Anisotropiewert 𝜉 ermittelt, welcher zu Quantifizierung der Strukturen diente. Die Entwicklung des Anisotropiewertes 𝜉 war notwendig um die in den Arbeitshypothesen postulierten Eigenschaften der Strukturtransition zu untersuchen, wohingegen die Definition selbst ebenfalls als ein Ergebnis der Arbeiten betrachtet werden kann. Im Kern der Arbeitshypothese I wird postuliert, dass die Strukturtransition generell einem Hysterese-Verhalten unterliegt. Wohingegen in Arbeitshypothese II vermutet wird, dass diese Strukturtransition zusätzlich von der Art der Variation abhängt. Genauer, dass es Unterschiede zwischen einer Rayleigh-Zahl-Variation bei konstanter Reynolds-Zahl und dessen inversen Fall gibt. Darüber hinaus wird angenommen, dass die Transition an kritischen Punkten unabhängig von der Zeit spontan ablaufen und ein kontinuierlicher Wechsel der großskaligen Strukturen der turbulenten gemischten Konvektion stattfindet. Diese drei Arbeitshypothesen konnten durch die in diesem Bericht beschriebene Forschungsarbeit bestätigt werden. Dabei bestätigten sich insbesondere Hypothese 1 und 3 exakt, denn es konnte ein Hysterese-Verhalten als auch die spontanen Transitionen an einem kritischen Punkt gezeigt werden. Die Hypothese 2 bestätigte sich nur teilweise. Hierbei traten zwar Unterschiede zwischen den verschiedenen Herangehensweisen der Variation der Parameter (Re = variabel, Ra= const. vs. Re = const., Ra = variabel) auf, doch die Unterschiede zeigten sich weniger im Verlauf der Transition als vielmehr in einer Verschiebung der kritischen Kennzahlen. Dieser Aspekt konnte durch Untersuchungen bei verschiedenen Rayleigh-Zahlen weiter vertieft werden. Ergebnis dieser weiteren Studie ist, dass eine Abhängigkeit der Stärke der Hysterese, auch Suszeptibilität genannt, hinsichtlich der Rayleigh-Zahl existiert. Damit würde die turbulente, gemischte Konvektion ein ähnliches Verhalten zeigen, wie dies beispielsweise bereits in den Modellströmungen Taylor-Couette- oder von-Karman-Strömung gezeigt wurde. Die in diesem Forschungsprojekt erfolgreich erzielten Erkenntnisse konnten auf internationalen Fachkonferenzen präsentiert werden und wurden in konstruktiven Diskussionen weiter erörtert. Dies identifizierte eine weiteren Forschungsbedarf hinsichtlich einer allgemeinen Beschreibung des Hysterese-Verhaltens. Die physikalischen und technologischen Erkenntnisse werden in geeigneten Fachzeitschriften publiziert. Über den wissenschaftlichen Wert hinaus, haben die Ergebnisse eine hohe Relevanz bei der zukünftigen Auslegung der Klimatisierungssysteme von Innenräumen und Passagierkabinen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- 2014, Experimental Investigation of Large-Scale Flow Structures in Turbulent Mixed Convection, 67th Annual Meeting of the American Physical Society – Division Fluid Dynamics, San Francisco, USA
Körner, M., Resagk, C., Thess, A.
- 2015, Archimedes number and Rayleigh number dependence of largescale circulation in turbulent mixed convection, International Conference on Rayleigh-Bénard Turbulence, Göttingen, Germany
Körner M., Resagk C., Thess A.
- 2015, Large-scale structures in mixed convection, 15th European Turbulence Conference, Deflt, The Netherlands
Körner M., Resagk C., Thess A.
