Feinstruktur der thermischen Grenzschichten bei turbulenten Rayleigh-Bénard-Konvektion in Luft
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Turbulente thermische Konvektion tritt bei zahlreichen Strömungsprozessen in Natur und Technik auf. Wegen ihres hohen Turbulenzgrades und ihrer geometrischen Komplexität lässt sich diese Strömungsform nur sehr ungenau vorhersagen. Dies ist unter anderem auf ungenügendes Kenntnisse über die genaue Struktur des Temperaturfeldes in den thermischen Grenzschichten zurückzuführen. Mit dem Großgerät "Ilmenauer Fass" steht an der TU Ilmenau eine weltweit einzigartige Turbulenzforschungsanlage zur Verfügung, mit der diese Grenzschichten in einem von unten beheizten und von oben gekühlten zylindrischen Luftvolumen mit bislang unerreichter räumlicher und zeitlicher Auflösung vermessen werden können. Zu diesem Zweck wurden für variable Rayleigh-Zahlen und Aspektverhältnisse die Profile der mittleren Temperatur und deren Fluktuationen sowie die lokalen Wärmestromdichten an Heiz- und Kühlplatte ermittelt. Dank einer im Jahr 2005 als DFG-Großgerät bewilligten Präzisionsheizplatte und einer Optimierung der Sensorgeometrie konnte die Qualität der Messungen gegenüber den vorangegangenen Arbeiten noch einmal deutlich gesteigert werden. Das wesentliche Ergebnis der Arbeiten besteht darin, dass gezeigt werden konnte, dass in turbulenter Rayleigh-Bénard (RB) Konvektion in Gasen bei Pr≈1 das Modell einer diffusiven Grenzschicht nur für einen Bruchteil der thermischen Grenzschicht in unmittelbarer Wandnähe gilt. Dies wurde durch hoch aufgelöste Temperaturmessungen, die wir mit speziell geformten Mikrothermistoren durchgeführt haben, nachgewiesen. Das Ergebnis unterscheidet sich deutlich von gleichartigen Messungen in turbulenter RB Konvektion in Wasser (Pr≈5), in denen der Wärmetransport durch die Grenzschicht tatsächlich im Wesentlichen auf Diffusion beruht. Wir führen diese Unterschiede auf die in Wasser etwa fünffach höhere Prandtlzahl zurück, die das Dickenverhältnis zwischen thermischer und viskoser Grenzschicht und damit insbesondere den Wärmetransport im äußeren Teil der Grenzschicht maßgeblich beeinflusst. Ein weiteres wichtiges Ergebnis der Arbeiten ist die Erkenntnis, dass die Verteilung der Wärmestromdichte über den Oberflächen von Heiz- und Kühlplatte sehr inhomogen ist und stark von der Geometrie der RB-Zelle und der Rayleighzahl (Ra) abhängt. Dieser Nachweis wurde durch die erstmalige direkte Messung der lokalen Wärmestromdichte in der Mitte beider Platten erbracht. Eine systematische Untersuchung dieses Mechanismus einschließlich seiner Auswirkungen auf die Skalierung des globalen Wärmestromes durch die Zelle bei z. B. veränderlicher Geometrie ist geplant.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Boundary layer structure in highly turbulent convection. Advances in turbulence XI, Proceedings of the 11th European Turbulence Conference, Springer, Berlin Heidelberg 2007
R. du Puits, C. Resagk, A. Thess
- Convection at very high Rayleigh number: signature of transition from a micro-ther-mometer inside the flow. Advances in Turbulence XII, Proceedings of the 12th EUROMECH European Turbulence Conference, September 7-10, 2009, Marburg, Germany
J. Salort, F. Gauthier, B. Chabaud, O. Bourgeois, J.-L. Garden, R.du Puits, A. Thess and P.-E. Roche
- Thermal boundary layers in turbulent Rayleigh-Bénard convection. Advances in Turbulence XII, Proceedings of the 12th EUROMECH European Turbulence Conference, September 7-10, 2009, Marburg, Germany
R. du Puits, C. Resagk, A. Thess
- Transition on local temperature fluctuations in highly turbulent convection. EPL 87, 2009
F. Gauthier, J. Salort, O. Bourgeois, J.-L. Garden, R. du Puits, A. Thess, P.-E. Roche
- Assymetries in Turbulent Rayleigh-Bénard Convection. Proceedings of the iTi Conference in Turbulence 2008, Springer Verlag Heidelberg, 2010
R. du Puits, C. Resagk, and A. Thess
- Measurements of the instantaneous heat flux in turbulent Rayleigh-Bénard convection. New J. Phys. 12, 2010
R. du Puits, C. Resagk and A. Thess
- Thickness of the diffusive sublayer in turbulent convection . Phys. Rev. E. 81, 2010
R. du Puits, C. Resagk, and A. Thess
