Wechselwirkung zwischen kompressibler Turbulenz, Wärmestrahlung und chemischer Reaktion
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die meisten experimentellen und numerischen Untersuchungen der Vergangenheit zum Thema Wechselwirkung zwischen Turbulenz und Wärmestrahlung haben sich mit der Frage beschäftigt, wie die turbulente Schwankungsbewegung in inerten und reagierenden Strömungen mit niedriger Machzahl Strahlungseffekte beeinflusst (Strahlungs-Turbulenz-Wechselwirkung). Die Frage, welchen Einfluss Strahlungseffekte auf die Struktur turbulenter Strömungen haben, blieb dabei in aller Regel unbeantwortet. Wir haben uns daher mit Hilfe von Large-Eddy-Simulationen (LES) hauptsächlich dieser Frage gewidmet, weil sie für die Weiterentwicklung statistischer Turbulenzmodelle von großer Bedeutung ist. Eigene, hochaufgelöste LES turbulenter, inerter Überschallkanalströmungen mit hocherhitztem Wasserdampf als Arbeitsgas haben ergeben, dass Wärmestrahlung die Temperatur im Mittenbereich senkt und die Dichte erhöht, dabei Temperatur- und Dichtefluktuationen dämpft, jedoch Geschwindigkeitsfluktuationen erhöht. Dieser Effekt entspricht genau dem Gegenteil dessen, was eine Erhöhung der Machzahl (bei unveränderter Reynoldszahl) bewirkt. Wir sprechen daher auch davon, dass der Strahlungseffekt dem Kompressibilitätseffekt entgegenwirkt. Eine wesentliche Rolle bei der Klärung des Verhaltens der Reynoldsspannungen spielt der betragsmäßige Anstieg der Druckscherkorrelationen im Übergangsgebiet zwischen viskoser Unterschicht und logarithmischem Bereich. Die korrekte Modellierung dieses Terms für statistische Vorhersagen des Strahlungseffekts, stellt eine Herausforderung dar, kann aber von den gewonnenen Ergebnissen profitieren. In schwach kompressiblen inerten, turbulenten Mischungsschichten mit erhitztem Wasserdampf auf einer Seite und Stickstoff auf der anderen, ergaben sich vergleichbare Effekte, die u.a. zu einem rascheren Wachstum der Mischungsschicht unter dem Einfluss von Wärmestrahlung führen und zu einem Anstieg der Reynoldsspannungen. Die bisherigen Ergebnisse haben gezeigt, dass Wärmestrahlung durch Gase nur mäßige Veränderungen der Turbulenzstruktur erzeugt. Daher sollen in künftigen Arbeiten Wärmestrahlungseffekte durch Ruß untersucht werden. Bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen entsteht neben wärmestrahlenden Reaktionsprodukten wie Wasserdampf und Kohlendioxid auch Ruß, der zu wesentlich stärkeren Strahlungseffekten führt, als sie in Strömungen ohne Rußanteil beobachtet werden. Die Entstehung von Ruß und die Abstrahlung von Wärme durch Rußpartikel hat natürlich auf thermochemische und strömungsmechanische Prozesse sowie auf das Spektrum der Endprodukte großen Einfluss. Es ist daher an der Zeit, diese komplexen Vorgänge in freien Scherschichten mit leistungsfähigen Methoden wie der LES, detaillierten Reaktionsmechanismen und adäquaten Strahlungsmodellen zu untersuchen, um zu neuen Erkenntnissen zu gelangen. Die Fortsetzung hat genau dies zum Ziel.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2009): Compressible turbulent channel and pipe flow: Similarities and differences. – In: Proc. 6th Int. Symp. Turbulence and Shear Flow Phenomena, Seoul, Vol. 1, pp. 347-352
Ghosh, S., Friedrich, R.
- (2009): Direct numerical simulation of turbulent flow in an axisymmetric supersonic diffuser. – In: Proc. 6th Int. Symp. Turbulence and Shear Flow Phenomena, Seoul, Vol. 3, pp. 1357-1362
Ghosh, S., Friedrich, R.
- (2010): Compressible turbulent channel and pipe flow: Similarities and differences. Journal of Fluid Mechanics, 648:155-181
Ghosh, S., Foysi, H., Friedrich, R.
- (2010): Direct numerical simulation of turbulent flow in an axisymmetric supersonic diffuser. Journal of Turbulence, 11, No. 17, pp. 1-22
Ghosh, S., Friedrich, R.
- (2010): DNS of compressible turbulent flows. – In: Direct and Large-Eddy Simulation VII. (V. Armenio, B. Geurts, J. Fröhlich, Eds.) ERCOFTAC SERIES, Springer, pp. 553-564
Friedrich, R., Ghosh, S.
- (2011): Effects of radiative heat transfer on the structure of turbulent supersonic channel flow. Journal of Fluid Mechanics, 677:417-444
Ghosh, S., Friedrich, R., Pfitzner, M., Stemmer, Chr., Cuenot, B., El Hafi, M.
