Experimentelle Untersuchungen turbulenter Mischkonvektionen in komprimierten Gasen
Final Report Abstract
Die Ziele des vorliegenden Projekts waren der Aufbau und der Betrieb einer Anlage zur experimentellen Nachbildung realitätsnaher Raumluftströmungen im stark verkleinerten Maßstab für den Fall der turbulenten Mischkonvektion. Durch Einstellbarkeit des Druckes des verwendeten Arbeitsgases, wahlweise Luft oder Schwefelhexafluorid (SF6) im Bereich von 1bar ≤ p ≤ 10bar, sollte die Nachbildung turbulenter Mischkonvektion im Maßstabsbereich von 1:1 bis 1:19 unter Einhaltung der Ähnlichkeitskennzahlen Reynolds-Zahl Re und Rayleigh-Zahl Ra ermöglicht werden. Die technische Umsetzung des neuartigen Verfahrens konnte erfolgreich mit dem Aufbau der SCALEX-Anlage (SCALEX = Scaled Convective Airflow Laboratory Experiment) am Institut für Thermo- und Fluiddynamik der TU Ilmenau realisiert werden. Die technische Machbarkeit dieses neuartigen Verfahrens konnte am 11.01.2011 durch gezielte Veränderung der Materialeigenschaften des Arbeitsgases bei konstanten Randbedingungen einer Raumluftströmung nachgewiesen werden. Dadurch lassen sich mit dieser Anlage stark verkleinerte Modellräume beliebiger Geometrie erstmals bei gleichzeitiger Einhaltung der Ähnlichkeitskennzahlen Reynolds-Zahl und Rayleigh-Zahl mit modernsten optischen Messmethoden unter realitätsnahen und reproduzierbaren Randbedingungen untersuchen. Die SCALEX-Anlage ermöglichte im Rahmen des vorliegenden Projekts die Untersuchungen der turbulenten Mischkonvektion in einem im Maßstab von 1:10 verkleinerten Modellraum. Der Schwerpunkt lag hierbei auf der Untersuchung des Referenzfalles Re = 1.5×10 5 und Ra = 2.0×10 10, welcher mit den Arbeitsgruppen des ARMOR-Experiments und der hochauflösenden numerischen Simulation vereinbart wurde. Bei den gewählten Ähnlichkeitskennzahlen stellt sich in der untersuchten einfachen, 2-dimensionalen jedoch realitätsnahen Modellraumgeometrie eine komplexe, 3-dimensionale Strömungsstruktur ein. Diese ist durch die räumliche und zeitliche Überlagerung von Effekten der Zwangskonvektion sowie der natürlichen Konvektion geprägt. Die im 1:10 verkleinerten Modellraum gefundenen Strömungsstrukturen des Referenzfalles konnten im ARMOR-Experiment bestätigt werden. Damit wurde erfolgreich gezeigt, dass das neu entwickelte Verfahren auf realitätsnahe Randbedingungen anwendbar ist. Der Vergleich mit der numerischen Simulation zeigte jedoch starke Abweichungen, was vermutlich mit einer zu kurzen Rechenzeit in Verbindung gebracht werden muss. Die Effekte der Zwangskonvektion, welche sich in der gewählten Modellraumgeometrie einstellen, konnten in diesem Projekt eingehend in Experimenten mit isothermen Randbedingungen untersucht werden. Die Ergebnisse dienten unter anderem der Erklärung der komplexen Strukturen der Mischkonvektion. Zusätzlich konnten erstmals kohärente Oszillationen der großskaligen Strömungsstruktur unter Zwangskonvektion festgestellt werden. Vergleiche der Ergebnisse mit numerischen Simulationen zeigen hohe qualitative Übereinstimmungen, jedoch relativ starke quantitative Abweichungen. Die entstandene Experimentieranlage zeichnet sich zusätzlich zur Nachbildung realitätsnaher Raumluftströmungen im stark verkleinerten Maßstab durch ein hohes Maß an Variabilität aus. Dadurch steht die SCALEX-Anlage für eine Vielzahl zukünftiger Forschungsvorhaben zur Verfügung und kann zudem von externen Wissenschaftlern genutzt werden. Die SCALEX-Anlage eröffnet damit zahlreiche neue Möglichkeiten zur Erforschung komplexer Problemstellungen der Raumluftströmungen.
