Grundlegende Untersuchungen zur Turbulenz bei Strömungen durch poröse Medien
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In dem vorliegenden Projekt sollte die grundlegende Frage beantwortet werden, ob in porösen Medien turbulente Strömungen auftreten können, die Turbulenzskalen jenseits der Porenabmessung aufweisen. Unbestritten ist bis heute lediglich, dass eine turbulente Strömung in den einzelnen Poren auftreten kann, wenn die lokale Reynolds-Zahl hinreichend groß ist. Dies ist eine physikalische Situation ähnlich wie bei Strömungen in Mikrostrukturen, für die gezeigt werden kann, dass selbst die kritische Reynolds-Zahl in Mikrokanälen derjenigen bei Makroabmessungen entspricht. Die bis heute kontrovers diskutierte Frage nach den dabei auftretenden Längenskalen der Turbulenz konnte im Rahmen von sehr ausführlichen und damit auch extrem aufwendigen numerischen Untersuchungen turbulenter Strömungen in porösen Medien mit der sog. Direkten Numerischen Simulation (DNS) eindeutig geklärt werden: Turbulenzskalen sind stets von der Größenordnung der Porenstruktur-Skalen, was im Laufe des Projektes als „pore scale prevalence hypothesis“ (PSPH) formuliert und anschließend in allen Fällen bestätigt werden konnte. Dieses Ergebnis hat unmittelbare Auswirkung auf die Entwicklung von Turbulenzmodellen, mit denen Strömungen in porösen Medien berechnet und dabei bzgl. des Turbulenzeinflusses modelliert werden können. Überraschend war, wie eindeutig diese Aussagen mit Hilfe der DNS-Ergebnisse erzielt werden konnten und warum dies nicht schon längst von anderen Forschergruppen in Angriff genommen worden war.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2015): “Numerical investigation of the possibility of macroscopic turbulence in porous media: a DNS study”, Journal of Fluid Mechanics, Vol. 766, 76-103
Y. Jin, M.F. Uth, A.V. Kuznetsov and H. Herwig
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(2016): “A DNS study on the possibility of macroscopic turbulence in porous media: effects of different solid matrix geometries, solid boundaries, and two porosity scales”, Physics of Fluids, Vol. 28, 065101
M.F. Uth, Y. Jin, A.V. Kuznetsov and H. Herwig
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(2017): “Turbulence modeling for flows in wall bounded porous media: An analysis based on direct numerical simulations”, Physics of Fluids, Vol. 29, 045102
Y. Jin and A.V. Kuznetsov
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(2018): “Natural convection in a two-dimensional cell filled with a porous medium: a direct numerical simulation study”, Heat Transfer Engineering
P.U. Kränzien and Y. Jin
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(2018): “Turbulent forced convection in porous media: a direct numerical simulation study”, IHTC16-22301, Proceedings of the 16th International Heat Transfer Conference, IHTC-16, Beijing, China
S. Gasow, A.V. Kuznetsov, M. Schlüter, and Y. Jin
