Thermische Konvektion an rauen Oberflächen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Claus Wagner
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 495678007

Thermische Konvektion an einer rauen oder strukturierten Oberfläche ist ein physikalischer Prozess, der bei vielen Problemstellungen z. B. in technischen Anlagen zur Wärmeübertragung, bei der Kühlung von elektronischen Bauelementen oder bei der Erforschung des Stadtklimas die Realität deutlich besser widerspiegelt, als dies die üblicherweise verwendeten Modelle mit glatten Oberflächen vermögen. Obwohl es zu dieser Problematik in der Vergangenheit eine Vielzahl an Veröffentlichungen gab, sind insbesondere die lokalen Transportprozesse in unmittelbarer Nähe einer solchen strukturierten Wand noch weitestgehend unverstanden. Dieser Mangel ist darauf zurückzuführen, dass es nur sehr wenige Konvektionsexperimente gibt, in denen die Transportgrößen in Wandnähe mit einer adäquaten räumlichen und zeitlichen Auflösung gemessen werden können und dass auch der Rechenaufwand für direkte numerische Simulationen bei den hohen Rayleighzahlen, die in dem hier beantragten Experiment vorherrschen, derzeit noch unverhältnismäßig hoch ist. Im geplanten Forschungsvorhaben sollen im Konvektionsexperiment "Ilmenauer Fass" das lokale Geschwindigkeits- und das Temperaturfeld beim konvektiven Wärmeübergang an einer rauen Oberfläche vermessen werden. Aufgrund der großen Abmessungen der Konvektionszelle, der Durchmesser beträgt 7,1 m die Gesamthöhe liegt bei 8,0 m, lassen sich diese Messungen bei sehr hohen Rayleighzahlen bis hin zu Ra = 10^{12} durchführen. Gleichzeitig ist auch die räumliche Auflösung dieser Messungen so hoch, dass die gesuchten funktionalen Zusammenhänge in der wandnahen Fluidschicht mit hinreichender Sicherheit validiert werden können. Im Verlauf des Forschungsvorhabens sollen verschiedenartige Rauigkeitsmuster untersucht werden, die sowohl einheitliche als auch in der Höhe gestaffelte Strukturelemente umfassen. Im Ergebnis dieser Untersuchungen wollen die Wissenschaftler insbesondere die Relevanz verschiedener Strömungsphänomene, wie den Anstieg der Rate von emittierten Plumes, die "Verdünnung“" der thermischen Grenzschicht an der Oberfläche der Strukturelemente oder die lokale Transition der konvektiven Grenzschicht zur Turbulenz, auf die in der Vergangenheit beobachteten Veränderungen des konvektiven Wärmetransports an einer strukturierten Oberfläche beurteilen. Ein weiteres Ziel des geplanten Vorhabens besteht darin, die Messdaten an verschiedenartigen Rauigkeitsmustern zu vergleichen und nach grundlegenden Gemeinsamkeiten hinsichtlich deren Einflusses auf das Strömungsfeld und damit auf den Wärmetransport zu suchen. Im Idealfall mündet diese Suche in ein Oberflächenmodell, welches ähnlich universell anwendbar ist, wie das Modell der hydraulischen Rauigkeit bei Rohr- und Scherströmungen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen