Experimentelle Untersuchung wandnaher Transport- und Strukturbildungsprozesse in turbulenter Rayleigh-Bénard Konvektion
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der Wärmetransport von einem Festkörper zu einem angrenzenden Fluid ist für eine Vielzahl von natürlichen und technischen Strömungsprozessen relevant. In Rahmen des Forschungsprojektes wurde dieser physikalische Prozess experimentell im sogenannten "Ilmenauer Fass" – einem insgesamt acht Meter hohem und sieben Meter durchmessendem Rayleigh-Bénard Experiment – untersucht. Zentrale Aufgabenstellung war die Charakterisierung des Strömungsfeldes sowohl in der Nähe der beiden horizontalen Platten, als auch am Interface zwischen dieser so genannten Grenzschicht und dem turbulent durchmischtem Bulk. Die besondere Herausforderung dieser Aufgabe bestand darin, dass das Geschwindigkeitsfeld in der Nähe der beheizten (gekühlten) Oberfläche, aber auch im Bulk extrem komplex und streng dreidimensional ist. Eine umfassende Charakterisierung dieser Felder ist demzufolge nur mittels eines volumetrischen Geschwindigkeitsmessverfahrens möglich. In einem ersten Arbeitspaket wurde das Geschwindigkeitsfeld in unmittelbarer Nähe der Kühlplatte mittel tomografischer Particle Image Velocimetry Technik vermessen. Die Messungen erfolgten für Rayleigh-zahlen zwischen 𝑅𝑅𝑅𝑅=10 8 und 𝑅𝑅𝑅𝑅=10 12 bei einem festem Aspektverhältnis Gamma Gamma = 1 und einer festen Prandtl-Zahl 𝑃𝑃𝑃𝑃 = 0,7. Eines der wesentlichen Ergebnisse dieser Messungen ist der Nachweis, dass die Grenzschichten in turbulenter Rayleigh-Bénard-Konvektion schon bei einer Ra-Zahl von 𝑅𝑅𝑅𝑅 ≈ 10 9 in Transition zur Turbulenz übergehen. Bei einer Ra-Zahl von 𝑅𝑅𝑅𝑅 ≈ 10 12 wird dann das wandnahe Strömungsfeld klar von den turbulenten Phasen dominiert. In einem zweiten Arbeitspaket wurde das Geschwindigkeitsfeld in horizontalen Schnitten durch die gesamte Zelle vermessen, um insbesondere die Ablösung der thermischen Plumes und die Interaktion von im Bulk generierten turbulenten Strukturen mit der Grenzschicht analysieren zu können. Trotz erheblicher technischer Herausforderungen und Problemen, die insbesondere der extrem großen Messfläche von ca. 40 m2 geschuldet sind, konnten zwei Datensätze für Aspektverhältnisse Gamma Gamma = 1,4 und Gamma Gamma = 3,0 aufgenommen werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2018) A local sensor for joint temperature and velocity measurements in turbulent flows. The Review of scientific instruments 89 (1) 015005
Salort, Julien; Rusaouën, Éléonore; Robert, Laurent; Du Puits, Ronald; Loesch, Alice; Pirotte, Olivier; Roche, Philippe-E; Castaing, Bernard; Chillà, Francesca
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4989430) - The near-wall flow field in turbulent convection in air: A fully three-dimensional insight from tomographic PIV. 16th European Turbulence Conference, 21.-24. August 2017, Stockholm, Sweden
R. Kaiser, R. du Puits
