Large eddy simulation of three-dimensional mixed convection on a vertical plate

• Large Eddy Simulation von dreidimensionaler Mischkonvektion an einer vertikalen Platte

Garbrecht, Oliver; Kneer, Reinhold (Thesis advisor); Kabelac, Stephan (Thesis advisor)

Aachen (2017, 2018)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Kurzfassung

Konvektive Wärmeverluste an solaren Strahlungsempfängern sind eine Überlagerung von natürlicher und erzwungener Konvektion. Diese sogenannte gemischte Konvektion wird von zwei Faktoren beeinflusst: Erstens, von der Richtung der Gravitation. Ist diese parallel zur aufgeprägten Strömung, stellt sich ein zweidimensionaler Strömungsfall ein. Steht die Gravitation senkrecht zum Freistrom, ergibt sich dreidimensionale gemischte Konvektion. Zweitens, vom relativen Einfluss des Auftriebs, beschrieben durch die Richardson-Zahl (Gr/Re^2). In der vorliegenden Arbeit werden hierfür drei Regime unterschieden: auftriebsdominierte, trägheitsdominierte und gemischte Konvektion mit gleichstarken Mechanismen. Das Ziel der Arbeit ist die Untersuchung der Thermo-Fluid-Interaktion bei dreidimensionaler gemischter Konvektion mittels numerischer Stömungsmechanik. Ein Grobstruktursimulationsmodell wurde entwickelt und qualitativ validiert. Mehrere Simulationen eines horizontalen Fluidstromes entlang einer vertikalen, flachen, heißen Platte wurden durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass Instabilitäten durch Auftrieb der entscheidende Faktor für den laminar-turbulenten Umschlag sind. Eine geringere Oberflächentemperatur führt so zu einer erheblichen Verringerung der Turbulenz. Weiterhin wurde gezeigt, dass eine höhere Freistromgeschwindigkeit die Instabilitäten unterdrückt und somit die Transition verzögert. Diese Ergebnisse sind für den Wärmeübergang von Relevanz, da dieser von den turbulenten Transportmechanismen dominiert wird. In Abhängigkeit der Strömungsbedingungen kann eine höhere Strömungsgeschwindigkeit somit den mittleren Wärmeübergang verringern. Um die hierfür zugrunde liegenden Mechanismen zu untersuchen wurden Grenzschichtprofile ausgewertet. Hierbei kann die Grenzschichtströmung bei dreidimensionaler, gemischter Konvektion durch einen lokalen Strömungswinkel und den Betrag des Geschwindigkeitsvektors beschrieben werden. In Wandnähe wurde so eine Region mit hohen Winkeln gefunden, in welcher der Auftrieb eine wichtige Rolle spielt. Nach dem laminar-turbulenten Umschlag spiegelt sich hier der turbulente Transport von horizontalem Impuls aus dem Freistrom heraus in einer Verringerung des Strömungswinkel wider. Deshalb traten die höchsten Winkel grundsätzlich in der Transitionszone auf. In den Simulationsfällen, in denen Auftrieb eine große Rolle spielt, entwickelte sich ein ausgeprägtes Geschwindigkeitsmaximum.In den turbulenten kohärenten Strukturen zeigte sich ein charakteristisches Muster: In der laminaren Strömung entwickeln sich langgezogene Wirbelfäden, die aufgrund von sekundären Instabilitäten in verschiedene kohärente Strukturen zerfallen (z.B. in Haarnadel-Wirbel). Diese Wirbel werden von der Auftriebsströmung verzerrt. Die Strömungsergebnisse erlauben weitreichende Einblicke in die Physik der gemischten Konvektion. Jedoch wurden so auch die Herausforderungen für zukünftige Modellierungsansätze aufgezeigt. Dies betrifft insbesondere die Entwicklung von Wärmeübergangskorrelationen und numerischen Wandmodellen.

Einrichtungen

• Lehrstuhl für Wärme- und Stoffübertragung [412610]