Das Experiment

Das Verständnis grundlegender Zusammenhänge in turbulenten Konvektionsströmungen ist für eine Reihe höchst aktueller Fragestellungen in Bezug auf Klimawandel, Wettervorhersage und der Generierung des Erdmagnetfeldes aber auch für eine Vielzahl technischer Strömungsprozesse relevant. Trotz der großen Fortschritte der Computertechnik ist es immer noch sehr schwierig oder häufig sogar unmöglich, diese sehr komplexen Strömungsprozesse zu beschreiben oder vorherzusagen. Einfache Modellexperimente sind deswegen ein probates Mittel, um die Eigenschaften dieser Strömungen zu studieren. Eines der in den vergangenen 100 Jahren intensiv untersuchten Modellexperimenten ist das Rayleigh-Bénard Experiment. Es besteht aus einer adiabatischen Testzelle in der ein Fluid von unten beheizt und von oben gekühlt wird (siehe Abbildung). Das "Ilmenauer Fass" stellt ein solches Experiment dar, in dem turbulente Luftströmungen bis zu Rayleighzahlen Ra=10^12 (Ra=β*g*ΔT*H3/(ν*κ) untersucht werden können. Das Experiment besteht aus einer zylindrischen Zelle, die Luft enthält und deren Seitenwand durch ein aktives Kompensationsheizsystem nahezu adiabatisch ist. Eine elektrische Heizplatte am Boden sowie eine frei darüber hängende Kühlplatte treiben die thermische Konvektion an. Beide Platten mit einem Durchmesser von 7 m sind so ausgelegt, dass sich auf ihrer Oberfläche eine gleichmäßige Temperatur mit einer maximalen räumlichen Abweichung von 1 K und einer maximalen zeitlichen Schwankung von 0.02 K einstellt. Ein weitere weltweit einmalige Eigenschaft dieses Experimentes besteht darin, dass der Abstand zwischen Heiz- und Kühlplatte stufenlos zwischen 0,05 m und 6,30 m variiert werden kann. Während in Experimenten mit maximalem Plattenabstand die höchsten Rayleighzahlen erreicht werden können, ähneln Geometrien mit geringerem Plattenabstand eher typischen geophysikalischen Strömungen. Im Vergleich zu ähnlichen experimentellen Anlagen, in denen durch die Verwendung von tiefgekühltem Helium noch deutlich höherer Rayleighzahlen bis Ra=10^17 erreicht werden können ist der messtechnische Zugang in unserem Experiment deutlich einfacher und Geschwindigkeit und Temperatur können mit wesentlich höherer räumlicher und zeitlicher Auflösung gemessen werden.

Das "Ilmenauer Fass" repräsentiert ein großskaliges Rayleigh-Bénard Experiment, in dem hochturbulente Konvektionsströmungen experimentell untersucht werden können. Darüber hinaus wird es aber auch genutzt, um z. B. die Simulation von Raumluftströmungen zu verifizieren oder neue Messverfahren zu testen.
 

Eigenschaften:

  • weltweit größtes Rayleigh-Bénard Experiment (7.0 m x 6.3 m) zum Studium hochturbulenter Konvektionsströmungen in Luft

  • ermöglicht die uneingeschränkte Messung des Geschwindigkeits- und des Temperaturfeldes mit bisher einzigartiger räumlicher und zeitlicher Auflösung

  • state-of-the-art Strömungsmesstechnik, wie z. B 3D-Laser Doppler Velocimentry, 3D-Particle Tracking Velocimetry, 2D-Particle Image Velocimetry, Mehrkanal-Temperaturmesssystem mit Mikrothermistoren

  • nahezu homogene und isotrope Turbulenz im inneren Kern des Rayleigh-Bénard Experimentes, frei von künstlicher mechanischer Anregung
Sabine Scherge

Forschungsprojekte

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).

Laufende Projekte

Abgeschlossene Projekte