The majority of geophysical and engineering processes incorporating convective heat transfer is characterized by a large ratio between the lateral and the vertical extent of the fluid layer. However, experimental and numerical work on thermal convection still focuses on configurations, where this ratio is rather small (equal or smaller than one). In particular, this is due to the fact that experiments achieving comparable high Rayleigh numbers must be very high and quite often this large height cannot be compensated by a respective width. Thus, it is actually not possible to fully evaluate phenomenological theories that are usually based one a one-dimensional model without lateral confinement. The applicants wish to contribute to overcome this by measurements of the heat flux and the thermal dissipation rate in an experiment meeting both, high aspect ratio (eight or larger) as well as high Rayleigh number (up to 10^{12}). Unlike in the preceding project, they will focus in the new work on the dynamics of these two quantities. It is known from direct numerical simulations (DNS) by Scheel and Schumacher [J. Schumacher and J. D. Scheel. Extreme dissipation event due to plume collision in a turbulent convection cell. Phys. Rev. E 94, 043104 (2016)] that, in particular, the thermal dissipation rate fluctuates very strongly as well locally as in time. Now, this will be validated in an experiment for the first time. Because, measurements potentially cover a much longer “observation period” than comparable DNS, the statistical uncertainty of the measurement data will be significantly smaller In a second part, the applicants will pursue the following question: How representative are local and time-averaged measurement data at a single point (in turbulent Rayleigh-Bénard convection) for the entire respective horizontal plane. For aspect ratios smaller or equal to one, this problem is always studied in the past, and it is answered with “not representative”. For large aspect ratios, where the sidewall affects only a little outer fraction of the fluid layer, the applicants will answer this question by measurements of the thermal dissipation rate at various positions in multiple horizontal planes. These measurements will, thus, provide also the distribution of the local.
Funding source: DFG
Period
01.10.2017 - 31.07.2021
Bearbeiter:
Webseite:http://www.euhit.org
Zeitraum: 1.4.2013 - 31.3.2017
Was ist EuHIT?
EuHIT ist eine Vereinigung, deren Ziel darin besteht, hochspezialisierte, experimentelle Anlagen auf dem Gebiet der Turbulenzforschung in eine Europäischen Infrastruktur zu integrieren. Damit soll die Wettbewerbsfähigkeit der Europäischen Turbulenzforschung gestärkt und eine gemeinsame Wissensbasis aufgebaut werden.
Wer sind wir?
Derzeit gehören EuHIT 21 Partnerinstitutionen aus 10 Europäischen Ländern an. Die Basis des Konsortiums bilden 14 "cutting-edge" Turbulenzexperimente, die von den Mitgliedern betrieben und anderen Wissenschaftlern für eigene Forschungen zur Verfügung gestellt werden. Das Projekt wird vom Max-Plack-Institut für Dynamik und Selbstorganisation in Person von Herrn Prof. Eberhard Bodenschatz koordiniert. Er wird von einem Steering Committee unterstützt und von der Vollversammlung der Mitglieder beaufsichtigt.
Zur Messung der Geschwindigkeit in großskaligen Zirkulationsströmungen und speziellen Anwendungen in der Konvektionszelle “Ilmenauer Fass” wird ein dreidimensionales „Particle-Tracking-Velocimetry“ (PTV) Verfahren weiterentwickelt.
Um Strömungen mit optischen Messverfahren erfassen zu können, sind künstlich zugefügte Partikel (Tracer) notwendig. Ein bewährtes Hilfsmittels, um transparente Gasströmungen sichtbar zu machen, sind heliumgefüllte Seifenblasen, die der Strömung nahezu schlupffrei folgen können. Allerdings ist der Einsatz gewöhnlicher Seifenblasen aufgrund ihrer kurzen Lebensdauer (1-2 Minuten) stark eingeschränkt. Zur Untersuchungen turbulenter Konvektionsströmungen sind jedoch Messreihen in der Größenordnung von einigen zehn Minuten bis zu mehreren Stunden notwendig.
Eine mögliche Lösung dafür kann in der Anwendung einer speziellen Blasenflüssigkeit liegen, die zur Produktion langlebiger, dichteneutraler stabiler Seifenblasen („Stubbles“) eingesetzt wird. „Stubbles“ sind stabile Blasen, die sich anfassen, stapeln und verketten lassen. Auf der Grundlage eines vorhandenen Labormusters wird ein Prototyp zur Erzeugung der stabilen Seifenblasen weiterentwickelt und optimiert. Nach der Erprobung des Stubbles-Generators wird ein geeignetes Bildaufnahmesystem mit 4 Digitalkameras und ein Volumenbeleuchtungssystems aufgebaut und erprobt.
Fördermittelgeber: EuHIT - European High Performance Infrastructures in Turbulence
Zeitraum
01.04.2013 - 31.03.2017
Bearbeiter:
Die überregionale DFG-Forschergruppe (FOR 1182) "Wandnahe Transport- und Strukturbildungsprozesse in turbulenten Rayleigh-Bénard-, Taylor-Couette und Rohrströmungen" wurde am 24.10.2012 von der DFG positiv begutachtet und startete am 01.03.2013 in ihre zweite Förderperiode.
Teilprojekte:
RB-1: Experimentelle Untersuchung wandnaher Transport- und Strukturbildungsprozesse in turbulenter Rayleigh-Bénard-Konvektion
RB-2: Numerische Untersuchung wandnaher Transport- und Strukturbildungsprozesse in turbulenter Rayleigh-Bénard-Konvektion
TC-1: Experimentelle Untersuchungen des Turbulenzübergangs und der Transportprozesse in turbulenten Taylor-Couette Strömungen
TC-2: Transport und Strukturbildung in der Taylor-Couette-Strömung: Theorie/Simulation
RS-1: Experimentelle Untersuchungen der Kinematik und Dynamik von transitionalen durch optimierte Störungen erzeugte Strömungsstrukturen in einem Rohr
RS-2: Transport und Strukturbildung in der Rohrströmung: Theorie/Simulation
Fördermittelgeber: DFG
Zeitraum
01.03.2013 - 28.02.2016
Partner:
BTU Cottbus, Prof. Dr. C. Egbers
Universität Marburg, Prof. B. Eckhardt
Universität Erlangen, Prof. M. Avila, Dr. Ö. Ertunc
IST Austria, Prof. B. Hof
Bearbeiter:
- Dr. Ronald du Puits
- Prof, A. Thess
- Dr. C. Resagk
- Prof. J. Schumacher
Zeitraum:
01.03.2013 - 28.02.2016
Zusammenfassung: |
Die Beschreibung turbulenter Strömungen ist nach wie vor eine der größten Herausforderungen in den Ingenieurwissenschaften und der klassischen Physik. Die großen räumlich-zeitlichen Fluktuationen und die starken Kopplungen zwischen Strukturen auf verschiedenen Längen- und Zeitskalen limitieren die in vollständig aufgelösten Rechnungen heutzutage erreichbaren Strömungsgeschwindigkeiten und stellen besondere Anforderungen an die Modellierung der Turbulenz. Nur in Idealfällen sind exakte Aussagen möglich, wie etwa bei der von Kármán-Howarth-Gleichung für die Geschwindigkeitskorrelationen in homogener isotroper Turbulenz oder bei den oberen Schranken an die Energiedissipation in einfachen Strömungsgeometrien. Die Wechselwirkungen zwischen Strukturen auf vielen Größenordnungen dominieren insbesondere in der Nähe von festen Wänden, wie sie bei praktisch allen Strömungen auftreten. Ausgehend von Prandtls Grenzschichtüberlegungen, verfeinert um Symmetrieüberlegungen, sind wichtige Aussagen über die mittleren Geschwindigkeitsprofile erzielt worden. Allerdings führen bei der Berechnung globaler Transportgrößen, wie etwa dem Wärmestrom bei der thermischen Konvektion am Turbulenzforschungsgerät ”Ilmenauer Fass“, Unsicherheiten in den Profilen und Skalenexponenten leicht zu Variationen in den Vorhersagen um mehrere Größenordnungen. |
Ronald du Puits
Der Wärmetransport von einer festen Oberfläche zu einem angrenzenden Fluid ist für eine Vielzahl von natürlichen und technischen Strömungsprozessen relevant. Obwohl die physikalischen Grundlagen des konvektiven Wärmeüberganges seit fast 100 Jahren mit hoher Intensität studiert werden, sind wir von einem umfassenden Verständnis der dabei ablaufenden Vorgänge noch weit entfernt.
Am Großgerät ”Ilmenauer Fass“, einer weltweit einzigartigen Anlage, an der turbulente Konvektionsströmungen mit unerreichter räumlicher und zeitlicher Auflösung studiert werden können, soll in diesem Projekt die Rolle kohärenter Strukturen beim konvektiven Wärmetransport untersucht werden. Eine Momentaufnahme einer derartigen, komplexen Strömungsstruktur an der Oberfläche einer beheizten Aluminiumplatte wurde mittels Strömungsvisualisierung eingefangen und ist in nachstehender Abbildung zu sehen.
Der besondere Ansatz in der DFG-Forschergruppe FOR 1182 besteht nun darin, mathematische Analogien zur Beschreibung der Transportprozesse in turbulenter Rayleigh-Bénard-Konvektion, Taylor-Couette-Strömung und Rohrströmung zu nutzen, um die globalen Skalierungseigenschaften des turbulenten Transportes wie auch die lokalen dynamischen Prozesse in der Nähe der fester Wände vergleichend zu untersuchen. Nachstehendes Schema zeigt in einer qualitativen Übersicht die strömungsphysikalischen Analogien in den drei Modellströmungen.
Erste Ergebnisse, die einen Einblick in die wandnahe Strömungsstruktur in turbulenter Rayleigh-Bénard-Konvektion liefern, sind im unten stehenden Video zusammengefasst. Die Visualisierung zeigt, dass auch schon bei niedrigen Rayleighzahlen die Strömung in der so genannten Grenzschicht im Gegensatz zur allgemeinen Annahme nicht gleichmäßig und laminar sondern extrem instabil und komplex ist.
Ansprechpartner:Dr. Ronald du Puits
Bestimmung des lokalen Wandwärmestromes mittels Infrarotthermografie
Thermische Konvektion ist ein allgegenwärtiger Prozess in unserem Alltag. Die klimatischen Bedingungen in unseren Breiten werden zum Beispiel einerseits durch warme feuchte Luftmassen über den Azoren beeinflusst, die uns heiße Sommertage bescheren, und anderseits durch kalte trockene Luftmassen aus nördlichen Gefilden, die im Winter für eine klirrende Kälte sorgen. Die zugrunde liegenden Vorgänge basieren auf der Erwärmung von kalter Luft über Meerwasser oder Landmassen und der Abkühlung in größeren Höhenlagen. Dieser Mechanismus, der thermische Konvektion genannt wird, wird systematisch in Rayleigh-Bénard Konvektionszellen erforscht, in denen ein Temperaturgefälle ähnlich dem in der Atmosphäre erzeugt wird. Von zentralem Interesse ist dabei der vertikale Wärmetransport bewegter Fluidpakete entgegen der Erdanziehungskraft.
Mit den hier vorgestellten Grundlagenuntersuchungen in einer rechteckigen Konvektionszelle ist erstmalig die Messung von hochaufgelösten Wärmestrombildern gelungen (siehe obere Abbildung). Hierzu wurde eine dünne Schicht mit bekannter Wärmeleitfähigkeit auf die beheizte Bodenplatte aufgetragen, wobei ihre Oberfläche der Temperatur der Strömung folgt (siehe Schema). Bei der Untersuchung dieser Schicht mittels einer Infrarotkamera wird die Oberflächentemperatur bestimmt, wobei eine Verteilung des Wandwärmestromes durch die Fourier'sche Beziehung für die Wärmeleitung berechnet werden kann. In Kombination mit Messungen des lokalen Strömungsfeldes (kleine Abbildung im unteren Schema) zeigte sich, dass beim Auftreffen der Hauptströmung auf die Bodenplatte zwei gegenläufige Wirbel entstehen. Infolge dieser guten Durchmischung wird der Wandwärmestrom lokal erhöht, welches deutlich als roter Fleck im Wärmestrombild erkennbar ist. Im weiteren Verlauf der Strömung kommt es zur Bildung einer Grenzschicht, wobei konvektive und diffusive Wärmetransportprozesse maßgebend sind. Schließlich steigt die erwärmte Luft auf und lokalisierte heiße Luftpakete, sogenannten Plumes, lösen sich von der Bodenplatte.
Turbulente thermische Konvektion tritt bei zahlreichen Strömungsprozessen in Natur und Technik auf. Wegen ihres hohen Turbulenzgrades und ihrer geometrischen Komplexität lässt sich diese Strömungsform nur sehr ungenau vorhersagen. Dies ist unter anderem auf ungenügendes Wissen über die genaue Struktur des Temperaturfeldes in den thermischen Grenzschichten zurückzuführen. Mit dem Großgerät "Ilmenauer Fass" steht an der TU Ilmenau eine weltweit einzigartige Turbulenzforschungsanlage zur Verfügung, mit der dieser Mangel überwunden werden kann. Ziel des vorliegenden Projektes ist es, die Struktur der beiden horizontalen thermischen Grenzschichten in dem von unten beheizten und von oben gekühlten zylindrischen Luftvolumen des Ilmenauer Fasses mit bislang unerreichter räumlicher und zeitlicher Auflösung zu vermessen. Zu diesem Zweck sollen für variable Rayleigh-Zahlen und Aspektverhältnisse an mehreren Punkten der Heizplatte die Profile von Temperatur, Temperaturschwankung, Skewness und Kurtosis gemessen und systematisch mit analogen Messungen an der Kühlplatte verglichen werden. Diese Untersuchungen sind dank einer im Jahre 2005 als DFG-Großgerät bewilligten Präzisionsheizplatte möglich geworden. Sie werden methodisch durch den Einsatz eines neuartigen Mikrotemperatursensors bereichert, der eine um fast zwei Größenordnungen bessere räumliche Auflösung als in bisherigen Temperaturmessungen erlaubt. Fördermittelgeber: DFG Zeitraum Partner: Universität Oldenburg, Prof. Dr. A. Kittel Bearbeiter:
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Die 3D Particle Tracking Velocimetry (PTV) ist ein Strömungsmessverfahren, bei dem mehrere Kameras die Bewegung von Tracerpartikeln in einem Beobachtungsvolumen aufnehmen und daraus das momentane Geschwindigkeitsfeld rekonstruieren. Diese Technik wurde bisher nur in relativ kleinen Messvolumina und vorwiegend in Flüssigkeiten angewendet. --- Prinzip des 3D PTV Verfahrens Das 3D PTV Verfahren ist eine flexible Technik zur Bestimmung von zeitaufgelösten, räumlichen Geschwindigkeitsfeldern, die durch geeignete Partikel visualisiert werden. Durch die Aufnahme und Auswertung einer Bildsequenz können Partikelbahnen rekonstruiert werden. --- Phase I: Testzelle "Ilmenauer Modellraum" Die ersten Forschungsarbeiten fanden in einer rechteckigen Zelle mit den Maßen (L/B/H) 4,2 m x 3,0 m x 3,6 m statt. Dabei wurden die einzelnen Komponenten des 3D PTV Systems getestet und anschließend Validierungsmessungen mit Modellströmungen durchgeführt. Kameras Beleuchtung Partikel Als dichte-neutrale Partikel setzen wir mit Helium gefüllte Seifenblasen ein. Für dessen Herstellung wurde an der TU Berlin von der Gruppe von Prof. Müller ein Blasengenerator entwickelt, der in der Lage ist, über mehrere Stunden eine ausreichende Menge von Blasen herzustellen. Phase II: "Ilmenauer Fass" In Vorbereitung! Fördermittelgeber: DFG Zeitraum Partner: TU Dresden, Prof. Dr. H.-G. Maas, DI T. Putze Bearbeiter:
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Im Ergebnis der ersten Bewilligungsperiode stehen mit dem Großgerät Ilmenauer Fass, mit einem neuentwickelten pseudospektralen Simulationsprogramm sowie mit einer außerhalb der DFG-Förderung aufgebauten kleinen Wasserzelle drei leistungsfähige Werkzeuge zur Untersuchung turbulenter thermischer Konvektion zur Verfügung. Diese sollen in der zweiten Antragsperiode dazu herangezogen werden, das Verständnis statistischer Eigenschaften der turbulenten Geschwindigkeits- und Temperaturgrenzschichten sowie kohärenter Strukturen voranzutreiben. Dies erfolgt durch eine Kombination aus (i) hochauflösenden lokalen Geschwindigkeits- und Temperaturmessungen am Ilmenauer Fass für variable Rayleigh-Zahl und variables Aspektverhältnis, (ii) numerischen Direktsimulationen von Konvektion in Anwesenheit von Scherströmungen an der Universität Bayreuth, (iii) Visualisierung kohärenter wandnaher konvektiver Strukturen in einer Wasserzelle an der Universität Göttingen. Die Verflechtung der drei Arbeitsgruppen untereinander sowie mit den anderen Arbeitsgruppen des Paketantrages kommt durch die Auswertung der Ilmenauer Daten in Göttingen und Oldenburg, durch den Einsatz der in Oldenburg und Ilmenau entwickelten Mikrosensoren am Ilmenauer Fass sowie durch die Anwendung des Simulationsprogramms zur Berechnung kohärenter Strukturen in der Göttinger Wasserzelle zum Ausdruck. Fördermittelgeber: DFG, Thüringer Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst, Stadt Langewiesen Zeitraum Partner: Universität Bayreuth, Prof. F. Busse Bearbeiter:
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