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Die Untersuchung von thermisch induzierten Strömungen hat in den letzten Jahrzehnten eine enorme Aufmerksamkeit erfahren, um geophysikalische und astrophysikalische Systeme besser verstehen zu können. Hierfür hat sich das sogenannte Rayleigh-Bénard Modell als eines der meist untersuchten fluidmechanischen Systeme etabliert, da es die kaum abzubildende Komplexität von natürlichen Systemen in ihrer Mannigfaltigkeit auf ein Fluidvolumen reduziert, welches von unten isotherm erwärmt und von oben isotherm gekühlt wird. Trotz dieser Reduzierung an Komplexität können mit diesem Modell die wesentlichen Eigenschaften von thermischer Konvektion abgebildet werden. Die Strömung in einem solchen System, welche als Rayleigh-Bénard Konvektion bekannt ist, weist Strömungsstrukturen auf unterschiedlichsten Längenskalen auf. In der vorliegenden Arbeit werden die sogenannten Superstrukturen untersucht. Diese sich in horizontaler Richtung weit erstreckenden Strukturen treten in Erscheinung, wenn die horizontale Dimension der Fluidschicht wesentlich größer als der vertikale Abstand zwischen der erwärmten Unterseite und der gekühlten Oberseite ist. Da die Superstrukturen bisher im Wesentlichen anhand von numerischen Simulationen untersucht wurden, soll in dieser Arbeit erstmals vom experimentellen Standpunkt ein besserer Eindruck gewonnen werden. Zur Untersuchung der Superstrukturen wird eine Rayleigh-Bénard Zelle mit den Abmessungen l × w × h = 700 mm × 700 mm × 28 mm und folglich mit einem Aspektverhältnis von [Gamma] = l/h =25 aufgebaut. Bei allen Experimenten wird diese Zelle mit Wasser als Arbeitsmedium befüllt. Um die Rayleigh-Bénard Strömung zu untersuchen, werden thermochrome Flüssigkristalle als Impfpartikel der Strömung beigefügt, sodass simultane Messungen des Temperatur- und Geschwindigkeitsfeldes in horizontalen Ebenen der Zelle vorgenommen werden können. Während das Geschwindigkeitsfeld mittels der Bewegung der thermochromen Flüssigkristalle im zeitlichen Verlauf anhand der etablierten Partikelbild-Geschwindigkeitsmessung (Particle Image Velocimetry) bestimmt wird, basiert die Messung des Temperaturfelds auf der farblichen Erscheinung der thermochromen Flüssigkristalle, welche unter der Beleuchtung von Weißlicht temperaturabhängig ist. Im Hinblick auf die genaue Bestimmung der Temperatur wird diese Messtechnik umfänglich charakterisiert, wobei die wesentlichen Einflussfaktoren auf die Messunsicherheit diskutiert werden. Da die Untersuchung der turbulenten Superstrukturen mittels dieser Messtechnik den optischen Zugang zur flachen Rayleigh-Bénard Zelle erfordert, ist der Aufbau speziell konstruiert und ermöglicht die Beobachtung der Strömung durch eine transparente Kühlplatte. Der Entwicklungsprozess wird in der Arbeit aus ingenieurstechnischer Sicht genauestens erklärt. Bei der Auswertung der Messungen kommen die großskaligen Strukturen sowohl im Temperaturfeld als auch im Geschwindigkeitsfeld zum Vorschein. Die Größe der Superstrukturen wird untersucht in Abhängigkeit der Rayleigh-Zahl Ra, welche den thermischen Antrieb der Strömung beschreibt und in der vorliegenden Arbeit etwa im Bereich 2 × 10^5 ≤ Ra ≤ 2 × 10^6 variiert wird. Auf der Basis dieser Messungen, welche jeweils einen großen Zeitraum abdecken, wird das Langzeitverhalten der Superstrukturen analysiert, womit deren langsam voranschreitende Umstrukturierung gezeigt wird. Da die kombinierte Messung des Temperatur- und Geschwindigkeitsfeldes in den horizontalen Messebenen die Berechnung des lokalen Wärmestroms ermöglicht, wird diese Möglichkeit ebenfalls demonstriert. Um die experimentellen Ergebnisse dieser Arbeit bewerten zu können, werden jene mit den Resultaten aus numerischen Simulationen verglichen.

Stratified thermal energy storages (TESs) are a promising solution for the large-scale energy storage problem of surplus renewable energy. Recent studies have shown parasitic convection occurring in near-wall regions inside such storage tanks, decreasing the working fluid's thermal stratification and reducing their exergy efficiency. This paper presents an experimental investigation of vertical convective flows in thermally stratified environments to complement the theoretical studies in this field. Specifically, we consider natural convection within a stratified laminar flow driven not by active heating but by the temperature gradient along a vertical wall, as is the case in real TES systems. The insights gained into the fundamental physical mechanisms of stratified vertical convection can promote efficiency improvements in TES systems. Therefore, we combine multiple particle image velocimetry and temperature measurements at different heights and thus obtain high-resolution vector fields of the entire wall jet flow and vertical temperature profiles for a TES model experiment. We appropriately modify scaling arguments found in the literature to develop a theory specifically suited to the experimental setup. The experimental data agree well with the modified theory. The results show two laminar counter-directed jets next to the vertical sidewall. In regions with high temperature gradients, the wall jets slow down, and flow reversals occur next to them. Moreover, the wall jets are asymmetric due to temperature-dependent fluid properties in conjunction with the ambient fluid stratification. In the stratification's upper, hot part, the wall jet is thinner and faster than the bottom jet in the cold region.

We consider a mathematical model of two-dimensional electrically driven laminar axisymmetric circular free shear flows in a cylindrical vessel under the action of an applied axial uniform magnetic field. The mathematical approach is based on the studies by J.C.R. Hunt and W.E. Williams (J. Fluid. Mech., 31, 705, 1968). We solve a system of stationary partial differential equations with two unknown functions of velocity and induced magnetic field. The flows are generated as a result of the interaction of the electric current injected into the liquid and the applied field using one or two pairs of concentric annular electrodes located apart on the end walls. Two lateral free shear layers and two Hartmann layers on the end walls and a quasi-potential flow core between them emerge when the Hartmann number Ha >> 1. As a result, almost all injected current passes through these layers. Depending on the direction of the current injection, coinciding or two counter flows between the end walls are realized. The Hartmann number varies in a range from 2 to 300. When a moderate magnetic field (Ha = 50) is reached, the flow rate and the induced magnetic field flux cease to depend on the magnitude of the applied field but depend on the injected electric current value. Increasing magnetic field leads only to inner restructuring of the flows. Redistributions of velocities and induced magnetic fields, electric current density versus Hartmann number are analyzed.