Thermische Konvektion bei großen Aspektverhältnissen: Die lokale und zeitliche Dynamik von Dissipationsprozessen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Um den konvektiven Wärmetransport von einer festen Wand zu einem umgebenden Fluid zu beschreiben, finden häufig phänomenologische Modelle Anwendung. Sie basieren in der Regel auf einer eindimensionalen Modellvorstellung ohne eine laterale Begrenzung der Fluidschicht. In einigen dieser Modelle spielt dabei Dissipation, die Umwandlung von kinetischer Energie in Wärme eine wesentliche Rolle. Allerdings ist diese Größe messtechnisch nur sehr schwer zu erfassen und eine direkte experimentelle Validierung derartiger Modelle war bis jetzt noch nicht möglich. Im hier berichteten Forschungsvorhaben wurden Messungen des Wärmetransport und der thermischen Dissipationsrate in einem großskaligen Konvektionsexperiment, dem sogenannten Ilmenauer Fass, durchgeführt. Dafür wurden spezielle Wärmestromsensoren sowie eine selbstentwickelte Multithermistorsonde verwendet. Die aus vier ultrakleinen Thermistoren bestehende Sonde erlaubt, das lokale Gradientenfeld der Temperatur und damit die thermische Dissipationsrate zeitaufgelöst zu messen. Die im Projekt durchgeführten Messungen zeigen, dass Wandwärmestrom und thermische Dissipationsrate in turbulenten Konvektionsströmungen extrem stark schwanken und es vergleichsweise häufig zu extremen Ausschlägen kommt. Folgerichtig lassen sich die Häufigkeitsverteilungen der Fluktuationen beider Größen nicht mittels Gaußscher Statistik beschreiben. Für den lokalen Wandwärmestrom, das ist der unmittelbar an der Oberfläche der Wand gemessene Wärmestrom in das Fluid, implizieren die Messergebnisse die Anwendung der verallgemeinerten Extremwerttheorie. Die Fluktuationen der thermischen Dissipationsrate werden dagegen, zumindest ab einem gewissen Abstand von der Wand, am besten durch eine logarithmische Normalverteilung abgebildet. Im Projekt konnte außerdem gezeigt werden, dass die Schwankungen des Wandwärmestromes bezogen auf ihren Mittelwert mit zunehmender Rayleighzahl immer kleiner werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Local and Time-Resolved Wall Heat Flux in Turbulent Rayleigh-Bénard Convection. ERCOFTAC Classic Collection Database, Case 094, 2021.
R. du Puits & A. Hertlein
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Measurements of thermal dissipation rate in turbulent Rayleigh-Bénard convection. 14th European Fluid Mechanics Conference, Athens, Greece, 13. – 16. September 2022.
R. du Puits, A. Hertlein & C. Kaestner
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Time-resolved measurements of the local wall heat flux in turbulent Rayleigh–Bénard convection. International Journal of Heat and Mass Transfer, 188, 122649.
du Puits Ronald
