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Prof. Dr.-Ing. Christian Cierpka

Fachgebietsleiter

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INHALTE

Forschungsschwerpunkt Konvektion

Die Wärmeübertragung durch strömenden Medien spielt eine wichtige Rolle in Natur und Technik. Konvektive Wärmeströme sind in der Regel turbulent und dreidimensional und damit sehr schwer zu charakterisieren. Deshalb werden die zeit- und ortsabhängigen Geschwindigkeits- und Temperaturfelder in Modellexperimenten, z.B. in Rayleigh-Bénard-Zellen mit den Arbeitsfluiden Luft, SF6, Wasser und Flüssigmetallen untersucht. Dabei werden die für den turbulenten Wärmestrom entscheidenden Strömungs- und Temperaturfluktuationen mit berührungslosen Methoden wie Laser-Doppler-Anemometrie (LDA), Partikel-Image-Velocimetry (PIV), Ultrasonic-Doppler-Velocimetry (UDV) und Laser-Induced-Fluorescence (LIF) sowie mit Thermographic Liquid Crystals (TLC) bestimmt. Die Ergebnisse der Modelluntersuchungen dienen u.a. zur Validierung von numerischen Simulationen (CFD).

Rayleigh-Benard-Konvektion bei großen Aspektverhältnissen

Ziel der Arbeiten ist die gleichzeitige Temperatur- und Strömungsfeldmessung in einem großen Volumen, um die Temperaturverteilung mit den strömungsmechanischen Strukturen im Bereich mittlerer Rayleighzahlen (104 < Ra < 106) korrelieren zu können und so physikalische Erkenntnisse im bisher noch wenig untersuchten Bereich der Mischkonvektion zu erlangen.

Dazu soll zunächst der Versuchsaufbau mittels 2D Particle Image Velocimetry (PIV) charakterisiert werden. Die Homogenität der Temperaturreglung soll durch Messungen mit Thermoelementen, 2D Laser Induced Fluorescence und einer Infrarotkamera bewertet werden und ggf. konstruktive Verbesserungen durchgeführt werden. Anschließend soll ein Temperaturmessverfahren, welches auf thermochromen Flüssigkristallen basiert, auf die makroskopische Messanordnung erweitert und gleichzeitige Messungen mit der 3D Particle Tracking Velocimetry (PTV) durchgeführt werden. Die Messdatendaten sollen danach physikalisch analysiert und mit am Institut erstellten numerischen Simulationen verglichen werden.

Partner:

Universität der Bundeswehr München


Bearbeiter:      


Aktuelle Publikationen:
 

C.Kästner, C. Resagk, J. Westphalen, M. Junghähnel, C. Cierpka, J. Schumacher (2018) Assessment of horizontal velocity fields in square thermal convection cells with large aspect ratio, Experiments in Fluids 59, 171

S. Moller, J. König, C. Resagk, C. Cierpka (2019) Influence of the illumination spectrum and observation angle on temperature measurements with thermochromic liquid crystals, Measurement Science and Technology, DOI 10.1088/1361-6501/ab173f

S. Moller, S. Resagk, C. Cierpka: Anwendung neuronaler Netze zur Temperaturfeldmessung in Rayleigh-Bénard Konvektion mittels thermochromer Flüssigkristalle, Fachtagung "Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik", 03.-05.09.2019, Erlangen, Germany


Großskalige Zirkulationsmuster in turbulenten Rayleigh-Bénard Konvektionszellen mit sehr großen Seitenverhältnissen in Luft und SF6

Viele turbulente Konvektionsprozesse, insbesondere in der Natur, finden in ausgedehnten Schichten statt und zeigen Hierarchien von geordneten und regelmäßigen großskaligen Strömungsmustern, obwohl die entsprechenden Rayleigh- und Reynoldszahlen eine voll entwickelte Turbulenz implizieren. Im vorliegenden Projekt möchten wir die räumlich-zeitliche Dynamik dieser Strukturbildung im Detail untersuchen. Dazu sollen Experimente in komprimierten Schwefelhexafluorid mit massiv parallelen Direktsimulationen auf der Basis der spektralen Elementmethode bei  gleichen Parametern kombiniert und verglichen werden. Beide methodischen Zugänge erlauben die Untersuchung der turbulenten Rayleigh-Bénard-Konvektion in sehr flachen Konvektionszellen bei vorher nicht erreichbaren Rayleighzahlen. Die Analysen sollen klären, ob und wie sich diese Strömungsmuster als Relikte vom Einsatzpunkt der Konvektion sowie aus dem schwach nichtlinearen Regime oberhalb der linearen Instabilitätsschwelle hin zum vollends turbulenten Regime der Konvektion entwickeln. Wir möchten die Zeitskalen identifizieren auf denen sich diese Muster ändern und ihre Rayleighzahlabhängigkeit identifiizieren. Das Experiment erlaubt uns zusätzlich die Robustheit der Strukturen gegenüber nicht-Boussinesq-Effekten zu beleuchten. Aus den Direktsimulationen  möchten wir Amplitudenmodelle entwickeln, die diese Muster durch wenige dominante Freiheitsgrade beschreiben können.

Partner:

Fachgebiet Strömungsmechanik der TU Ilmenau

Bearbeiter:      


Aktuelle Publikationen:

C. Kästner, C. Resagk, D. Baczyzmalski, J. Massing, S. Moller, C.J. Kähler, J. Schumacher, C. Cierpka: Heat and mass transport in large aspect ratio Rayleigh-Bénard convection, 9th World Conference on Experimental Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics, 12.-15.07.2017, Iguazu Falls, Brazil

C.Kästner, C. Resagk, J. Westphalen, M. Junghähnel, C. Cierpka, J. Schumacher (2018) Assessment of horizontal velocity fields in square thermal convection cells with large aspect ratio, Experiments in Fluids 59, 171

S. Moller, J. König, C. Resagk, C. Cierpka (2019) Influence of the illumination spectrum and observation angle on temperature measurements with thermochromic liquid crystals, Measurement Science and Technology, DOI 10.1088/1361-6501/ab173f


DeepTurb – Deep Learning in and of Turbulence

DeepTurb – Deep Learning in and of Turbulence

The application of machine learning (ML) techniques in the analysis of experimental measurements and numerical simulations of turbulence opens unique possibilities to analyse complex and comprehensive data sets by new physical criteria and thus to gather a deeper understanding of the fundamental transport processes in such flows. Our project aims at new effective modeling strategies of turbulent superstructures in extended turbulent convection flows – gradually evolving large-scale patterns – by means of machine learning techniques. We want to accelerate the analysis in optical flow measurements, develop low-dimensional reduced models that can predict the coarse-scale dynamics, and extend the mathematical foundations of ML applications to obtain a more efficient prediction of these processes.

Funding:

Carl Zeiss Foundation

Partner:

Group Fluid Mechanics

Group Optimization Based Control

Group Software Engineering for Safety-Critical Systems

Bearbeiter:      


Aktuelle Publikationen: