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Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung der thermischen Konvektion hinsichtlich der Rayleigh-Abhängigkeit charakteristischer Bereiche des Strömungsfeldes wie den Grenzschichten, den thermischen Plumes und dem Kernvolumen mithilfe von DNS und LES. Die Analyse der Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (PDF) der thermischen Dissipationsraten zeigt drei markante Bereiche, die dem turbulenten Hintergrund (Bulk), den Plumes / Mischungsschichten und der konduktiven Unterschicht zugeordnet werden können. Mit steigender Rayleigh-Zahl (Ra) wird die Dynamik des Kernvolumens zunehmend von den Grenzschichten entkoppelt, was sich u.a. in einer schwindenden Korrelation der turbulenten Fluktuationen von Temperatur und Geschwindigkeit niederschlägt. Damit wird das von Castaing et al. [J. Fluid Mech., 204, 1989] skizzierte Verhalten weicher und harter Turbulenz bestätigt. - Es wird außerdem gezeigt, dass die thermische Dissipation in der konduktiven Unterschicht zunehmend von den turbulenten Fluktuationen bestimmt wird und somit eine von den Plumes/Mischungsschichten grundverschiedene Dynamik aufweist. Es wird daher vorgeschlagen, den Ansatz von Grossmann & Lohse [Phys. Fluids, 16(12), 2004] zur Aufteilung der thermischen Dissipationsraten so zu erweitern, dass diesem Verhalten Rechnung getragen wird.Der Vergleich dreier unterschiedlicher Geometrien (periodische, quaderförmige und kubische Zelle) ergibt, dass die Strömungsfelder bei geringen Rayleigh-Zahlen signifikante Unterschiede aufweisen, sich mit steigender Rayleigh-Zahl aber einander annähern, was sich sowohl in den Beiträgen der charakteristischen Bestandteile des Strömungsfeldes zur Wärmeübertragung als auch in der Skalierung der Nusselt-Rayleigh-Beziehung widerspiegelt. Abschließend wird die turbulente Rayleigh-Benard-Konvektion (Ra = 3,5 mal 10 5) mit der thermischen Mischkonvektion (Ar = 1) verglichen. Hieraus folgt, dass sich die Strukturbildung bei der Mischkonvektion signifikant ändert. Die Plumes sind bei gleicher Rayleigh-Zahl kleiner und zahlreicher. Zudem wird die Position der Ablösung des Zuluftstrahls stark von der Wechselwirkung mit den Plumes beeinflusst und der konvektive Wärmestrom weist im Auslass eine Oszillation auf. Diese Beobachtung ist in qualitativer Übereinstimmung mit experimentellen Ergebnissen. Ein Vergleich der thermischen Dissipationsraten von Rayleigh-Benard- und Mischkonvektion zeigt, dass sich der Einfluss des Zuluftstrahls vorwiegend auf die groß-skaligen Strukturen, nicht jedoch auf die klein-skaligen Mischungsvorgänge auswirkt.

Direct numerical simulations (DNS) of a turbulent channel flow with 2D wedges of random height on the bottom wall have been performed. In addition, two other simulations have been carried out to assess the effect of the geometry on the overlying flow. In the first simulation, the four smallest elements were removed while in the other, a uniform distribution of wedges with the same area was used. Two Reynolds numbers were studied, Reb = 2500 and Reb = 5000 which correspond in case of smooth walls to Rer = 180 and 300, respectively. Roughness on the wall induces separated regions, the reattachment occurring on the walls of the wedges or on the bottom wall. The pressure gradients on the walls increase the ejections and inrushes towards the wall. As a consequence the flow is more isotropic. The mechanism inducing an improved isotropy has been explained in term of the spectra and budgets of Reynolds stress. The comparison of the 3 surfaces has shown that near the wall, the uniformly distributed roughness represents only a poor approximation of the surface with wedges of random height. The Reynolds stresses, pressure distribution and spectra on the modified wall agree well with those on the random surface. Energy spectra show the pitch to height ratio of the largest elements to be the more appropriate geometrical parameter to describe the geometry.