Tomographisches-Particle-Image-Velocimeter (TOMO-PIV)
Final Report Abstract
Das TOMO-PIV-System wurde in den Jahren 2015-2017 ausschließlich zur Messung des dreidimensionalen Geschwindigkeitsfeldes im "Ilmenauer Fass" des Instituts für Thermo- und Fluiddynamik eingesetzt. Das „Ilmenauer Fass“ stellt eine großskalige zylindrische Rayleigh-Bénard-Zellen mit einer Höhe von bis 7 m und einem Durchmesser von 6,30 m dar. Dabei handelt es sich um eine luftgefüllte thermische Konvektionszelle, die von unten geheizt und von oben gekühlt wird. Mit dem Tomo-PIV wurde weltweit erstmalig in einem so großen Messvolumen eingesetzt, um einmal das dreidimensionale Strömungsfeld in der Grenzschicht und in der Mischungszone unterhalb der Kühlplatte zu untersuchen. Hierzu wurden mit vier Kameras mit einem einzigen optischen Zugang Momentaufnahmen und zeitliche Mittelungen des turbulenten Geschwindigkeitsfeldes gemessen und kleinskalige Strukturen und lokale Fluktuationen analysiert. Zum anderen diente das Messsystem zur Detektion von großskaligen kohärenten Strömungsstrukturen im Bulk-Bereich der Konvektionszelle mittels eines Stereo-PIV-Setups. Diese kohärenten Strukturen in einer vollausgebildeten turbulenten Strömung sind von besonderem wissenschaftlichem Interesse und haben einen entscheidenden Einfluss auf den Wärmestrom im System. Für ein „Field of View“ von größer als 3 m x 3 m wurden diese Messungen weltweit erstmalig durchgeführt. Darüber hinaus wurde das TOMO-PIV-System auch zur Untersuchung der Dynamik großskaliger Strömungszirkulationen in turbulenten Konvektionszellen mit sehr großem Aspektverhältnis eingesetzt. Die besondere experimentelle Herausforderung bestand hier in der Messung in sehr flachen Konvektionszellen unter komprimierter Luft bzw. SF6 in der SCALEX-Anlage der TU-Ilmenau. Die so gemessenen turbulenten Geschwindigkeitsfelder sind in sehr guter Übereinstimmung mit numerischen Ergebnissen der Gruppe Schumacher vom Institut für Thermo- und Fluiddynamik.
Publications
- Boundary layer structure in a rough Rayleigh- Bénard cell filled with air. J. Fluid Mech. (2016), vol. 786, pp 275-293
O. Liot, J. Salort, R. Kaiser, R. du Puits, F. Chillà
(See online at https://doi.org/10.1017/jfm.2015.649) - Statistical and temporal characterization of turbulent Rayleigh-Bénard convection boundary layers using time-resolved PIV measurements Progress in Wall Turbulence, M. Stanislas et al. (eds.), ERCOFTAC Series 23, Springer (2016)
C. E. Willert, R. du Puits, C. Resagk
(See online at https://doi.org/10.1007/978-3-319-20388-1_28) - The evolution of the boundary layer in turbulent Rayleigh-Bénard convection in air. Physics of Fluids (2016), vol. 28, 044108
R. du Puits, C. Willert
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4947261)
