Experimental investigation and computational modelling of thermal boundary layers in turbulent natural convection

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Beschreibung

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der numerischen und experimentellen Modellierung turbulenter thermisch angetriebener Luftströmungen in unterschiedlichen Test-Konfigurationen. Diese so genannten Konvektionsströmungen stellen eines der fundamentalen Probleme der Strömungsmechanik dar. Sie ziehen ein großes wissenschaftliches Interesse auf sich, da sie in vielen Bereichen, wie z. B. in der Meteorologie oder auch in industriellen Anwendungen, eine wesentliche Rolle spielen. Vor allem vor dem Hintergrund atmosphärischer Konvektionsströmungen, die durch eine durch die Erdbewegung hervorgerufene Corioliskraft beeinflusst werden und sich zu Wirbelstürmen ausbilden können, ist ein Verständnis dieser Strömungen sehr wichtig. Die Konvektionsströmung wird in jeder einzelnen Test-Konfiguration immer zwischen zwei sich gegenüberliegenden, isotherm beheizten Wänden erzeugt. Neben der Validierung des gewählten numerischen Modells einer Large-Eddy-Simulation (LES), geben die erzielten Ergebnisse der Arbeit Aufschluss über die Strömungsdynamik, die entstehenden Turbulenzstrukturen sowie die Wärmeübertragung in der jeweiligen Test-Konfiguration. Hierbei steht vor allem die Auflösung der thermalen Wandgrenzschicht im Mittelpunkt. Hervorzuheben ist die numerische sowie auch experimentelle Untersuchung eines sogenannten Rayleigh-Bénard Problems, das unter Einfluss einer zusätzlich wirkenden Corioliskraft steht. Das hierfür realisierte Experiment in einer Großzentrifuge und die zugehörige numerische Studie geben Aufschluss über die Auswirkung der zusätzlich wirkenden Relativbeschleunigungen auf die Turbulenzproduktion und die Wärmeübertragung im Fluid.