Experimentelle Untersuchungen turbulenter Mischkonvektionen in realitätsnahen Innenraumgeometrien

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Die Ausbildung von Raumluftströmungsstrukturen ist von einer Vielzahl von Faktoren abhängig. Detaillierte Untersuchungen an einem generischen Raummodell sollen neue Erkenntnisse über diese Strukturbildungsprozesse und das instationäre Verhalten der Strukturen liefern. Insbesondere sollen die geplanten Experimente zeigen, unter welchen Bedingungen dynamische Strukturbildungsprozesse beobachtet werden können und welche Frequenzen die Strukturdynamik charakterisieren. In diesem Teilprojekt des Paketantrags wird die Strukturbildung in Raumluftströmungen in einem idealisierten Modell eines Innenraums experimentell untersucht. Neben den Zeitreihen der Messdaten und deren statistischen Auswertungen wird die Strukturdynamik der Strömung visualisiert und mit optischen Verfahren erfasst. Der Versuchsraum stellt geometrisch einen gestreckten Quader dar und entspricht durch die Anordnung der Wärmequellen vereinfacht der Situation in einer Bahn- oder Flugzeugkabine. Die Ergebnisse aus dieser generischen Kabine können später auf in der Praxis relevante Geometrien übertragen werden. Der dafür verwendete Versuchsraum ist 3 m hoch, 4 m breit und 5 m tief. Die Zuluft wird über Schlitzdurchlässe im Deckenbereich in den Raum eingebracht. Die Abluftdurchlässe befinden sich im Bodenbereich. Die thermischen Lasten werden über beheizte Quader in den Raum eingebracht. Die Wärmequellen bestehen aus Aluminiumplatten und werden mit Heizfolien auf der Innenseite gleichmäßig erwärmt. Dämmmaterial im Inneren der Wärmequelle verhindert, dass sich eine vertikale Temperaturschichtung in der Quelle aufbauen kann. Die Geschwindigkeits- und Temperaturfelder im Raum werden mit Sensoren in einem sehr feinen Raster im Versuchsraum gemessen. Mit einer Traverse werden die Sonden automatisch in dem Versuchsraum positioniert, sodass der Raum während einer Messreihe nicht betreten werden muss. Da insbesondere instationäre Struktureffekte betrachtet werden sollen, beträgt die Messdauer in diesem Experiment statt den in der Klimatechnik üblichen drei Minuten bis zu 30 Minuten pro Messort. Ein sorgfältiger Versuchsaufbau stellt konstante Randbedingungen für einen langen Zeitraum sicher. Neben Zulufttemperatur und -volumenstrom wird auch das Geschwindigkeitsfeld der Strömung im Nahfeld des Durchlasses mit einem Laser-Doppler-Anemometer vermessen. Diese Daten können direkt als Randbedingungen für die Strömungsberechnungen verwendet werden, sodass eine aufwendige Berechnung der Luftdurchlässe einschließlich aller Geometriedetails verzichtet werden kann. Eine Datenbank ermöglicht, dass auch große Datenmengen aus Berechnungen und Experimenten gespeichert und den Projektpartnern bereitgestellt werden können. Die experimentellen Untersuchungen dienen im Paketantrag als Referenzfall für die neue Hochdruckmodelltechnik für Raumluftströmungen und die numerischen Strömungsberechnungen.