Experimentelle Untersuchung und Kontrolle von turbulenten Strömungsstrukturen in Mischkonvektion im stark verkleinerten Maßstab

• Antragsteller: Dr. Christian Resagk
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Technische Thermodynamik
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 442083214

Das Ziel der Raum- und Fahrgastkabinenklimatisierung ist es, den Insassen behaglich temperierte Innenräume mit effizienten Energieeinsatz zu bieten. Zur Charakterisierung des Innenraumklimas sind Strömungsgeschwindigkeit und Temperatur der Raumluft von großer Bedeutung. Luftströmungen in geschlossenen Räumen (Büros, Hörsäle, Konzerthallen, Fahrzeug- und Flugzeugkabinen) werden vorwiegend durch die gemischte Konvektion geprägt, welches durch komplexe Klimaanlagen verwirklicht wird. Der Stoff- und Energietransport wird dabei durch Temperaturunterschied und Zuluftgeschwindigkeit als Randbedingungen charakterisiert. Gemischte Konvektion (kurz Mischkonvektion) kann deshalb als räumliche und zeitliche Überlagerung von natürlicher und erzwungener Konvektion verstanden werden. Obwohl in der Regel hochturbulent, ordnet sich das Geschwindigkeits- und Temperaturfeld in großskaligen kohärenten Strukturen, den sogenannten Zirkulationsströmungen (LSC = large scale circulation). Diese charakterisieren maßgeblich den Stoff- und Energietransport, welcher wiederum für die Bewertung der Raumluftqualität entscheidend ist. Es konnte in Experimenten gezeigt werden, daß diese LSC sprungartige Übergänge mit scharfen Grenzen aufweisen. Die Strukturen dieser großskaligen Zirkulationsströmungen sind stark von Rayleigh-Zahl (Ra), Reynolds-Zahl (Re) und Archimedes-Zahl (Ar) abhängig. Bisherige experimentelle Untersuchungen belegen scharfe diskontinuierliche Strukturübergänge bei Variation der Kennzahlen, was Vorhersagen der Raumluftqualität verhindert. Etablierte Modelle dazu berücksichtigen diesen Aspekt bisher nur bedingt oder überhaupt nicht. Im Forschungsvorhaben sollen diese Strukturübergänge in einem weiten Ra- und Re-Bereich experimentell untersucht werden. Die Geometrie des bereits erfolgreich eingesetzten transparenten Modellraums ist der einer Passagierkabine nachempfunden. Die Strukturen sollen mit Stereo-Particel-Image-Velocimetry (SPIV), mit Thermistorsensoren und Laser-Induced-Fluorescence (LIF) untersucht werden. Die Kennzahlvariation im Bereich realer Raumluftströmungen mit Hilfe des Modellraumes soll in der SCALEX-Anlage (Scaled Convective Airflow Laboratory EXperiment) unter Einhaltung von Ra, Re und Ar mit Luft und Schwefelhexafluorit mit Arbeitsdrücken zwischen 1 bar und 10 bar erreicht werden. Mit dieser weltweit einzigartigen Versuchsanlage lassen sich Strukturübergänge hinsichtlich deren Multistabilität über einen weiten Kennzahlen-Bereich mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung untersuchen. Ferner soll überprüft werden, ob sich die Multistabilität durch Aufprägen von Störungen im Zuluftsystem gezielt unterdrücken lässt. Ziel des Forschungsvorhabens ist eine umfassende experimentelle Beschreibung der Strukturbildung in Raumluftströmungen als Grundlage für Vorhersagealgorithmen und numerische Simulationen. Zusätzlich soll ein Beitrag zu einer aktiven Kontrolle der Strukturbildung geleistet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen