Hochaufgelöste numerische Simulationen von turbulenter nicht-Oberbeck-Boussinesq Rayleigh-Bénard Konvektion

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Das Hauptziel des vorliegenden Projekts ist die Erweiterung des Wissensstandes über turbulente Rayleigh–Bénard Konvektion (RBK) in Fluiden mit temperatur- und druckabhängiger Stoffeigenschaften wie die spezifische Wärmekapazität, die dynamische Viskosität, die Wärmeleitfähigkeit, der Wärmeausdehnungskoeffizient und die Dichte. Dieser Fall wird als Nicht-Oberbeck–Bussinesq (NOB) Konvektion bezeichnet. Um diese kompressiblen NOB-RBK-Strömungen zu untersuchen, soll die Kleine-Mach-Zahl (KMZ) Näherung umgesetzt werden, die für nicht-perfekte Gase anwendbar ist. Im geplanten Projekt sollen umfassende drei-dimensionale Direkte Numerische Simulationen (DNS) und Large-Eddy Simulationen (LES) der kompressiblen KMZ-NOB-RBK in zylindrischen und kubischen Geometrien durchgeführt werden. Hierfür wird ein für inkompressible RBK in Oberbeck–Boussinesq-Näherung entwickeltes Simulationsverfahren weiterentwickelt und eingesetzt. Die Ergebnisse der DNS/LES sollen mit den vorliegenden DNS/LES-Daten der OB-RBK sowie mit zugänglichen Messergebnissen (z.B. die Messungen in Wasser von Funfschilling et al, JFM 536 (2005), und in Helium von Niemela & Sreenivasan, JFM 481 (2003)) verglichen werden. Durch Analyse der DNS/LES Ergebnisse wird der Einfluss der NOB-Effekte auf die große Varianz in verschiedenen Messungen der Nusselt-Zahl als Funktion der Rayleigh-Zahl Ra in Helium bei niedrigen Temperaturen für Ra bis zu 1014 untersucht.