Experimentelle Untersuchung und Kontrolle von turbulenten Strömungsstrukturen in Mischkonvektion im stark verkleinerten Maßstab
Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
Technische Thermodynamik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Lüftungskonzepte für Fahrgasträume in Flugzeugen und Schienenfahrzeugen zielen darauf ab, ein behagliches, wohl temperiertes und sicheres Klima für die Reisenden zu schaffen. Durch die durch die Passgiere erzeugte Wärme überlagert sich hier die dadurch entstehende freie Konvektion mit der erzwungenen Konvektion durch die Lüftungsanlagen. Es können so sehr komplexe Strömungsstrukturen entstehen (Mischkonvektion), welche mitunter ein sehr dynamisches nichtstabiles Verhalten aufweisen. Lokale Bereiche mit zu hoher oder mit zu geringer Strömungsgeschwindigkeit führen zur signifikanten Beeinträchtigung der Behaglichkeit der Passagiere oder zu einem zu geringen Luftaustausch, was hinsichtlich der Sicherheit (Infektionsrisiko bei Krankheiten, welche durch Aerosole übertragen werden) und der Klimatisierung vermieden werden sollte. Um die zugrundeliegende Strömungsphysik besser zu verstehen, wurden im Projekt optische Messtechniken eingesetzt, um in einer vereinfachten und stark verkleinerten Modellzelle bei erhöhtem Druck das Strömungsfeld für unterschiedliche Parameter in der einzigartigen SCALEX-Anlage mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung zu vermessen. Dabei wurde die SCALEX-Anlage und die zugehörige Messtechnik signifikant verbessert und neue Erkenntnisse über das Geschwindigkeitsfeld in der Modellzelle für große Skalierungsfaktoren und unterschiedliche Richardson-Zahlen (Kennzahl der gemischten Konvektion) erzielt. Im Einzelnen wurde folgende Projektziele erreicht: Aufbau der Modellzelle mit Heiz-, Ventilations- und Temperaturmesstechnik. - Separate Regelung und Messung der Zuluftgeschwindigkeiten. - Erstellung eines LabView-Programms zur Steuerung der Versuchsanlage und langzeitstabiler Kontrolle der Randbedingungen. - Particle Image Velocimetry mit hoher Auflösung für die Geschwindigkeitsfeldmessung. - Messungen in Luft und SF6 bei Drücken bis 5 bar bzw. 4 bar. - Bestimmung von zeit- und ortsaufgelösten Geschwindigkeitsfelder für Skalierungsfaktor 2,25 (Luft) und 10 (SF6). - Charakterisierung von kohärenten Strömungsstrukturen bei gemischter Konvektion für kleine, mittlere und große Richardson-Zahlen in komprimierter Luft und SF6. Es wird erwartet, dass die Ergebnisse helfen werden, zukünftige Raumventilationssysteme besser einstellen und kontrollieren zu können und somit komfortableres Reisen zu ermöglichen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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“Automatisierung eines Versuchsaufbaus zur Untersuchung von Strömungsstrukturen in Mischkonvektion“, Forschungsbericht, TU Ilmenau
C. Naumann et al.
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“Measurements of large-scale circulations in mixed convection in a pressurized model room”, In: 20th Int. Symp. On Applications of Laser Techniques to Fluid Mechanics, 11.-14. July, Lisbon
M. Herzberg
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Experimental Investigation of Indoor Air Ventilation in a Small-Scale Aircraft Cabin Model. Environmental Science and Engineering, 1935-1941. Springer Nature Singapore.
Herzberg, Martin; Otto, Henning; Resagk, Christian & Cierpka, Christian
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The SCALEX facility – an apparatus for scaled fluid dynamical experiments. tm - Technisches Messen, 90(5), 296-309.
Sharifi Ghazijahani, Mohammad; Kästner, Christian; Valori, Valentina; Thieme, Alexander; Täschner, Kerstin; Schumacher, Jörg & Cierpka, Christian
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“Charakterisierung der Zuluftströmung in einem Passagierkabinenmodell“, In: Fachtagung Experimentelle Strömungsmechanik, 07.-09. September, München
M. Herzberg
