Untersuchung der Zirkulationsbewegung und des Wärmetransports in turbulenter Mischkonvektion mittels optischer Messverfahren

Mommert, Michael

doi:10.22032/dbt.52357

Veröffentlicht

Untersuchung der Zirkulationsbewegung und des Wärmetransports in turbulenter Mischkonvektion mittels optischer Messverfahren

Diese Arbeit befasst sich mit zwei verschiedenen Typen des dynamischen Verhaltens von Strömungsstrukturen in turbulenter Mischkonvektion.
Zu deren Untersuchung wurden Experimente in einer quaderförmigen Rayleigh-Bénard-Zelle, welche durch Lufteinlässe und -auslässe erweitert wurde, durchgeführt. Diese Experimente umfassten Messungen mit tomographischer Particle Image Velocimetry (PIV), stereoskopischer PIV und kombinierter PIV und Particle Image Thermometrie.
Um die Mechanik hinter den verschiedenen Dynamiken der Strukturen zu untersuchen, wurden weiterführende Analyseverfahren, wie die Zerlegung gemessener Felder in orthogonale Moden, angewendet.
Die wesentlichen Schlüsse, die daraus gezogen werden konnten sind, dass das dynamische Verhalten für den niedrigen Luftdurchsatz durch einen Akkumulationsprozess angetrieben wird, während bei höheren Luftdurchsätzen trägheitsgetriebene Strukturen, genauer Taylor-Görtler-artige Wirbel, das dynamische Verhalten bestimmen.

Diese Arbeit befasst sich mit dem dynamischen Verhalten von Strömungsstrukturen in turbulenter Mischkonvektion.

Zu deren Untersuchung wurden Experimente in einer quaderförmigen Rayleigh-Bénard-Zelle, welche durch Luftein- und -auslässe an der oberen und unteren langen Kante auf einer Seite der Zelle erweitert wurde, durchgeführt.

Um die Mechanik hinter den verschiedenen Dynamiken der Strukturen zu verstehen, wurden die Geschwindigkeitsfelder für zwei Typen unterschiedlichen dynamischen Verhaltens mit der tomographischen Particle Image Velocimetry (PIV) für den linken Teil der Zelle erfasst. Da das dynamische Verhalten, welches mit niedrigeren Einströmgeschwindigkeiten verbunden ist, selten und nicht periodisch auftrat, wurde eine automatisierte Methode entwickelt, um die Messungen mit dem Eintreten der Dynamik zu starten.

Die Analyse der Geschwindigkeitsfelder und ihre Zerlegung in orthogonale Moden ergaben, dass unterschiedliche Mechanismen das dynamische Verhalten der beiden Fälle antreiben: Für den niedrigen Luftdurchsatz dominieren thermische Prozesse und das dynamische Verhalten hängt mit einer Akkumulation warmer Luft innerhalb des vorliegenden Wirbelsystems zusammen, die in unregelmäßigen Abständen zur Freisetzung von Plumes führt. Im Gegensatz dazu dominieren bei höheren Luftdurchsätzen trägheitsgetriebene Prozesse. Insbesondere werden die dynamischen Prozesse in diesem Fall durch Taylor-Görtler-artige Wirbel angetrieben.

Der initiale Widerspruch des für beide Fälle beobachteten Umklappens der Rollenstrukturen mit dem Translationsmechanismus aus früheren Untersuchungen wurde durch stereoskopische PIV-Messungen über die gesamte Zelllänge aufgelöst: Sie zeigen, dass der Klappmechanismus primär das Verhalten der Strömung im Seitenwandbereich beschreibt.

Um den Beitrag Taylor-Görtler-artiger Wirbel zum Wärmetransport zu untersuchen, wurde die Methode der kombinierten stereoskopischen Particle Image Velocimetry und Thermometrie angewandt, um die Berechnung messebenennormaler Wärmeströme zu ermöglichen. Die Ergebnisse daraus zeigen, dass die Temperatur und die vertikale Geschwindigkeitskomponente korreliert sind, obwohl die Taylor-Görtler-artigen Wirbel durch Trägheitskräfte erzeugt werden. Weitere Analysen zeigen, dass der statistische Fußabdruck dieser Strukturen es erlaubt, sie von z.B. Plumes an der Frontwand zu unterscheiden.

This dissertation addresses the dynamic behavior occurring for flow structures in the turbulent mixed convection.

To study them, experiments were conducted in a cuboidal mixed convection chamber representing a Rayleigh-Bénard setup, which was extended by air in- and outlets at the upper and lower long edge on one side of the cell.

In order to understand the mechanics behind the different types of dynamics of these structures, the velocity fields for two different cases exhibiting the dynamic behaviors were acquired with tomographic particle image velocimetry (PIV) in the left part of the chamber. As the type of dynamic behavior associated with lower air flow rates occurred in a rare and non-periodic manner, a novel automated method was developed to start the measurements when the dynamic behavior occurred.

An analysis of the obtained flow fields and their proper orthogonal decompositions revealed that different mechanisms drive the dynamic behavior of the convection roll segments of the two cases: For the low air flow rate, thermal processes dominate and the dynamical behavior is connected to an accumulation of warm air within the associated vortex system, leading to the release of plumes in irregular intervals. In contrast, processes driven by inertial forces dominate at higher air flow rates. In particular, the dynamical processes are driven by Taylor-Görtler-like vortices in this case.

The initial contradiction of the switching mechanism observed for both cases with the translational mechanism from previous studies was resolved by stereoscopic PIV measurements over the entire chamber length: They show that the switching mechanism mainly describes the behavior of the flow in the sidewall region.

In order to investigate the contribution of Taylor-Görtler-like vortices to the heat transport, the method of combined stereoscopic particle image velocimetry and thermometry was applied to allow the calculation of heat fluxes passing the measurement plane. The results from these measurements indicate that the temperature and the vertical velocity component are correlated, despite the Taylor-Görtler-like vortices being generated by inertial forces. Further, the analysis shows that the statistical footprint of these structures allows them to be distinguished from, for example, the plumes at the front wall.