Simulation stark turbulenter Konvektionsströmungen: Verfahren und Modellierung

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Zuverlässige numerische Simulationen turbulenter Konvektionströmungen wurden in der Vergangenheit hauptsächlich in der ebenen Rayleigh-Bénard Konfiguration (periodisch in der Horizontalen) und bei vergleichsweise niedriger Rayleigh-Zahl von Ra kleiner als 108 durchgeführt. Dagegen steht in vielen Anwendungsbereichen die stark turbulente Auftriebsströmung im Mittelpunkt des Interesses. Diese konnte bisher nur experimentell studiert werden. Um diese thermisch getriebenen Strömungen bei sehr großen Rayleigh-Zahlen im Experiment realisieren zu können, müssen Messungen in sehr hohen, von unten beheizten und von oben gekühlten, Behältern vorgenommen werden. Welchen Einfluß die Seitenwände dieser Behälter bzw. das Aspektverhältnis (Durchmesser/Höhen-Verhältnis D/H) auf das turbulente Strömungsgeschehen ausüben, ist bisher ungeklärt.Im 'Ilmenauer Fass' kann eine detaillierte störungsfreie Vermessung der Geschwindigkeits- und Temperaturfelder nur von außen und dadurch hauptsächlich in wandnahen Gebieten erfolgen. Ferner sind niedrigere turbulente Rayleigh-Zahlen (Ra kleiner als 108) im Experiment für kleine Aspektverhältnisse von D/H kleiner als 5 nicht realisierbar. Mit Hilfe von direkten numerischen Simulationen (DNS) und Grobstruktursimulationen (LES) können diese Lücken geschlossen werden.Daher soll im vorliegenden Projektvorschlag das Experiment detailliert in numerischen Simulationen abgebildet werden, um das Blickfeld auf das gesamte räumlich-zeitliche Strömungsfeld und auf den im Experiment nicht erfaßbaren niedrigen RayleighZahlbereich zu erweitern. Innerhalb des ersten Antragszeitraumes sollen für ausgewählte Aspektverhältnisse im Vergleich zu den Messungen Grobstruktursimulationen (LES) im hohen Rayleigh-Zahlbereich 108 kleiner als Ra kleiner als 1011 und Direkte Numerische Simulationen für moderatere Rayleigh-Zahlen 107 kleiner als Ra kleiner als 1010 durchgeführt werden. Längerfristig kann dann auch ein höherer Rayleigh-Zahlbereich Ra kleiner als 1012 für die DNS erschlossen werden.Die numerisch generierte Daten-Basis wird detaillierte Analysen des gesamten Strömungsfeldes ermöglichen. Von Interesse sind unter anderem Skalierungsgesetze des turbulenten Wärmestromes in Abhängigkeit der Ra-Zahl und sonstige Skalengesetze. Die hieraus gewonnen Erkenntnisse sollen in die Entwicklung von verbesserten Turbulenz- und Wandmodellen einfließen.