Interaction of compressible turbulence and radiation of heat using large-eddy simulation
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Mit eigenen Large-Eddy-Simulationen (LES) hatten wir über den Einfluss von Wärmestrahlung auf die Struktur der Turbulenz in Überschall-Kanalströmungen, die mit hocherhitztem Wasserdampf als Arbeitsgas betrieben wurden, bereits Erfahrungen gesammelt. Ergebnisse dieser Simulationen erschienen 2011 im Journal of Fluid Mechanics (Ghosh et al.: JFM, Vol. 677, 2011, pp. 417). In der zitierten Arbeit wurden die kompressiblen (im Sinne der LES) gefilterten Navier-Stokes-Gleichungen mit kompakten Finite-Differenzen-Verfahren hoher Ordnung integriert. Der in der Energiegleichung enthaltene Wärmestrom durch Wärmestrahlung wurde nicht räumlich gefiltert, in Anlehnung an die in der Literatur übliche Vorgehensweise, denn eine generelle sog. Feinstruktur-Modellierung des Wärmestrahlungstransports ist nicht bekannt. Ziel im angegebenen Förderungszeitraum war es daher, zu untersuchen, ob sich ein Feinstrukturmodell für die gefilterte Strahlungstransport-Gleichung finden lässt und welchen Einfluss es auf räumlich gefilterte Turbulenzfelder hat. Die bisherigen Ergebnisse haben gezeigt, dass Wärmestrahlung durch Wasserdampf (ohne Feinstrukturmodellierung des Emissions- und Absorptionsterms der Strahlungstransportgleichung) in vollentwickelter Überschall-Kanalströmung nur sehr mäßige Veränderungen der Turbulenzstruktur bewirkt. Dies lässt sich bei Überschall-Kanalströmungen wohl darauf zurückführen, dass der Plattenabstand gering und/oder der Absorptionskoeffizient klein ist, was geringen optischen Dicken der Gasschicht entspricht. Versuche, den Absorptionskoeffizienten künstlich zu erhöhen und dadurch zu größeren optischen Dicken zu gelangen, haben zu etwas stärkeren Effekten geführt. Ähnlich moderate Strahlungseffekte haben wir in reagierenden und inerten Mischungsschichten im Unterschall festgestellt, wohl auch weil die Schichtdicken (sprich: Reynoldszahlen) und Absorptionskoeffizienten relativ niedrig waren. Auch hier waren hohe Rechenzeiten dafür verantwortlich, dass keine stärkeren Strahlungseffekte durch höhere optische Dicken erzielt werden konnten. Unser Versuch, trotz geringer Schichtdicken den gefilterten Emissionsterm in der Strahlungstransportgleichung nach einem neuen Ansatz von Germano zu modellieren, der bisher noch nicht auf Strahlungstransportprobleme angewandt wurde, konnte jedoch nicht realisiert werden. In künftigen Arbeiten sollten daher massiv erhöhte Plattenabstände und wesentlich dickere Mischungsschichten untersucht werden, in denen Feinstrukturmodellierungen der gefilterten Absorptions- und Emissionsterme entsprechende Wirkung zeigen müssten. Nützliche technische Anwendungen sind bei dem gegenwärtigen Stand der Forschung noch nicht in Sicht.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2014): Contrasting turbulence-radiation interaction in supersonic channel and pipe flow. Int.J.Heat Fluid Flow 48, pp. 24-34
Ghosh, S., Friedrich, R., Stemmer, Chr.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.ijheatfluidflow.2014.04.002) - (2015): Effects of radiative heat transfer on the turbulence structure in inert and reacting mixing layers. Physics of Fluids 27, pp. 055107
Ghosh, S., Friedrich, R.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4920990)
