Experimentelle Untersuchung turbulenter Rayleigh-Bénard-Konvektion in Luft

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Thermische Konvektionsströmungen in Natur und Technik sind in der Regel stark turbulent. Das mangelhafte Verständnis solcher Strömungen spiegelt sich in einer ungenauen Vorhersage von Wetter, Klima sowie turbulenter Luftzirkulation in großen Gebäuden wieder. Mit dem vorliegenden Projekt soll es erstmalig möglich werden, das Geschwindigkeitsfeld einer stark turbulenten Konvektionsströmung von der Makroskala bis hinunter zur Mikroskala (Kolmogorov-Skala) zu vermessen. Dies soll durch Präzisionsexperimente mit Luft in einem zylindrischen, von unten beheizten und von oben gekühlten Behälter mit einem Durchmesser von ca. 7 Metern und variabler Höhe erfolgen. Durch eine Kombination aus globaler Strömungsvisualisierung mittels Lichtschnitttechnik und hochauflösender lokaler Strömungs- sowie Temperaturfeldmessung mittels 2d Laser-Doppler-Anemometrie (LDA), Partikel-Image-Velocimetrie (PIV), Mikrotemperatur- und Geschwindigkeitssonden sollen zwei Ziele erreicht werden. Einerseits sind durch Experimente bei einer maximalen Höhe von ca. 7 Metern die statistischen Eigenschaften der turbulenten Geschwindigkeits- und Temperaturgrenzschichten in der Nähe von Heiz- und Kühlplatte umfassend zu charakterisieren. Andererseits soll durch Experimente mit einem großen Aspektverhältnis von 10 die Frage der zellularen Strukturen in turbulenter und thermischer Konvektion geklärt werden. Insbesondere kann durch die Variation des Aspektverhältnisses der Einfluß der Seitenwände auf die Konvektion bestimmt werden. Die in Ilmenau durchgeführten Experimente werden durch Datenanalyse und numerische Direktsimulation an der Universität Bayreuth begleitet.