Wärmestromverteilung in turbulenter Rayleigh-Bénard Konvektion

• Antragsteller: Privatdozent Dr.-Ing. Ronald du Puits
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 188379410

• Erstellungsjahr: 2017

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Der konvektive Wärmeübergang von einer festen Oberfläche an ein umgebendes Fluid ist eine Fragestellung, die sowohl auf physikalischen als auch ingenieurtechnischen Feldern eine wesentliche Rolle spielt. Sei es der Wärmeaustausch zwischen Erdoberfläche und Atmosphäre, die Wärmeabgabe/-aufnahme von Heiz- und Kühlanlagen an die Innenluft von Gebäuden oder die Kühlung von elektronischen Halbleiterbauelementen durch ein umströmendes Fluid - die Vorhersage des Wärmestroms ist auch heute noch mit großen Unsicherheiten behaftet. Besonders prekär ist die Situation bei technischen Prozessen, in denen extrem große Wärmemengen über sehr kleine Flächen zu- oder abgeführt werden müssen, wie z. B. in Verbrennungsmaschinen, Wärmetauschern für die Erzeugung von Elektroenergie oder an Leistungshalbleitern in der Energieversorgung. Hier möchte man insbesondere Inhomogenitäten im Wärmeübergang, so genannte „Hot Spots“vermeiden, da diese sehr schnell zur Zerstörung der Bauelemente führen können. Unser Ziel im bearbeiteten Projekt war es, diese Fragestellung unter Einsatz moderner Infrarotthermografie an einer freien Konvektionsströmung zu untersuchen. Die experimentellen Arbeiten wurden im 7,15 m durchmessendem und insgesamt 8,00 m hohem „Ilmenauer Fass“durchgeführt. In dieser experimentellen Anlage wird eine bis zu 6,30 m dicke Luftschicht von unten beheizt und von oben gekühlt und durch die Dichteunterschiede im Schwerefeld der Erde eine Konvektionsströmung in Gang gesetzt. In Abhängigkeit von der Geometrie, in unserem Fall vom Verhältnis der horizontalen zur vertikalen Ausdehnung der Fluidschicht bilden sich charakteristische Strömngsmuster aus, die die Verteilung der Wärmestromdichte an der Heizfläche am Boden und an der Kühlfläche am oberen Rand der Luftschicht bestimmt. Eine der wesentlichen Innovationen des bearbeiteten Projektes war es, die Verteilung der Wärmestromdichte mittels Infrarotkamera erstmals direkt und räumlich hochaufgelöst zu messen. Die dafür notwendige Technologie fur die 40 m2 große Fläche der Heizplatte des Ilmenauer Fasses wurde in den ersten beiden Jahren des Projektes entwickelt und zunächst an einer kleineren Rechteckzelle mit einer Grundfläche von 2,50 x 0,62 m2 erprobt. Für diese Zelle standen aus einer gemeinsamen Messung mit dem DLR Köln, die im Rahmen einer DFG-Forschergruppe durchgeführt wurde, Messdaten des wandnahen Strömungsfeldes an der beheizten Bodenplatte zur Verfügung. Zusammen mit den Daten der lokalen Wärmestromdichte an der Oberfläche der Heizplatte ergibt sich nun ein geschlossenes Bild über die Evolution der konvektiven Grenzschicht am Übergang Festkörper-Fluid. Insbesondere wurde damit nachgewiesen, dass vertikale Seitenwinde einen erheblichen Einfluss auf den konvektiven Wärmeubergangskoeffizienten bzw. dessen dimensionsloses Pedant, die Nusseltzahl haben, die in deren näherer Umgebung um bis zu 32% uber dem Mittelwert liegen können. Dies ist ein eindeutiges Zeichen dafür, dass Skalentheorien zum Wärmetransport deshalb vorzugsweise in Modellexperimenten mit großer lateraler Ausdehnung evaluiert werden sollten. In der zweiten Hälfte des Projektzeitraumes wurde die Messtechnik an das „große“ Fass adaptiert. Unter Nutzung der in der kleineren Rechteckzelle gewonnenen Erkenntnisse zur charakteristischen Verteilung des Wandwärmestromes entlang des Pfades einer einzelnen Konvektionszelle konnte in verschiedenen zylindrischen Geometrien auf die globale Strömungsstruktur rückgeschlossen werden. Anhand der Wahrscheinlichkeitsdichteverteilung von erschiedenen Strömungsmoden (Einrollenstruktur, Zweirollenstruktur oder Multirollenstruktur) wurden die Aspektverhältnisse (Durchmesser/Höhe) bestimmt, bei denen es zu einer Transition zwischen den einzelnen Strömungsmoden kommt.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Error estimation of temperature measurements in non-isothermal shear layers. Exp. Fluids Vol. 53 137-143 (2012)
  Robert Kaiser, Ronald du Puits
  
• Rayleigh-Bénard convection: local scaling exponent in confined thermal convection. 15th European Turbulence Conference, Delft, Niederlande, 24.-28.August 2012
  Robert Kaiser, Ronald du Puits
  
• Local wall heat flux 66th Annual Meeting of American Physical Society Division of Fluid Dynamics, Pittsburgh, USA, 24.-26. November 2013
  Robert Kaiser, Ronald du Puits
  
• Thermal boundary layers in turbulent Rayleigh-Bénard convection at aspect ratios between 1 and 9. New J. Phys. Vol. 15 013040 (2013)
  Ronald du Puits, Christian Resagk, Andre Thess
  
• High resolved heat flux map in turbulent Rayleigh-Bénard convection. 15th European Fluid Mechanics Conference, Kopenhagen, Dänemark, 15.-18.September 2014
  Robert Kaiser, Ronald du Puits
  
• Local wall heat flux in confined thermal convection. Int. J. Heat Mass Trans. Vol. 73 752-760 (2014)
  Robert Kaiser, Ronald du Puits
  
• Wärmestromverteilung in turbulenter Rayleigh-Bénard Konvektion
  Robert Kaiser