Globale Strömungsmuster bei turbulenter Rayleigh-Bénard-Konvektion bei variablem Aspektverhältnis

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Claus Wagner
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 535054958

Die turbulente Rayleigh-Bénard (RB)-Konvektion wird häufig als kanonisches Modell zur Beschreibung von Strömungsphänomenen und konvektivem Wärmetransport in der Erdatmosphäre oder in den Ozeanen verwendet. Neben diesen geophysikalischen Strömungen findet das Modell auch Anwendung bei der Untersuchung von Innenraumströmungen oder der Aufrechterhaltung von Temperaturschichtungen in Wärmespeichern mit flüssigen Medien. Lange Zeit lag der wissenschaftliche Fokus fast ausschließlich auf der Vorhersage des globalen und zeitgemittelten Wärmestroms durch die von unten erwärmte und von oben gekühlte Fluidschicht. Aktuelle Fragestellungen, wie z.B. die Ausbreitung von Feststoffpartikeln oder Aerosolen in der Atmosphäre oder die natürliche Durchmischung der Luft in Innenräumen, erfordern jedoch auch die Kenntnis der großskaligen Strömungsmuster in solchen konvektionsgetriebenen Strömungen. In dem hier beantragten Forschungsvorhaben soll die globale Zirkulationsströmung in vollturbulenter RB-Konvektion und dabei insbesondere der Einfluss des Aspektverhältnisses Γ (Γ - Verhältnis der lateralen zur vertikalen Ausdehnung des Versuchsraumes) auf das sich ausbildende Strömungsmuster experimentell untersucht werden. Analog zur Mehrzahl der in Natur und Technik auftretenden konvektiv getriebenen Strömungen soll dabei der Fokus auf „große“ Aspektverhältnisse zwischen Γ=2 und Γ=10 gelegt werden. Als Versuchsanlage dient das sogenannte „Ilmenauer Fass“, ein großskaliges Rayleigh-Bénard-Experiment (Durchmesser: 7,1 m, Höhe: 0,2...6,3 m), das am Fachgebiet Aerodynamik der TU Ilmenau aufgebaut ist. In dieser Anlage können Rayleighzahlen bis Ra=〖10〗^12 erreicht werden. Das Strömungsfeld in dem mit Luft gefüllten Versuchsraum soll mit Hilfe der Lagrange-Particle-Tracking-Methode vermessen und die bei unterschiedlichen Aspektverhältnissen auftretenden Strömungsmuster analysiert werden. Der besondere Vorteil der geplanten experimentellen Arbeiten liegt in der im Vergleich zu direkten numerischen Simulationen deutlich längeren Beobachtungszeit. Damit einher geht eine signifikante Verbesserung der statistischen Vorhersagegenauigkeit. Neben der Beantwortung von Fragen zur Art der Strömungsmuster und deren typischer Lebensdauer soll im Rahmen des beantragten Forschungsvorhabens auch untersucht werden, wie sich viren- oder schadstoffbeladene Aerosole in Abhängigkeit von diesen Strömungsmustern in turbulenten Konvektionsströmungen verteilen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen