Forschung im HLRN-Verbund 2011

126Turbulenzen beim WärmeaustauschThermalgetriebene Vermischung turbulenter Konvektionsströmungen in einemgeschlossenen ContainerR. Groll, C. Zimmermann, Zentrum für angewandteRaumfahrttechnologie und Mikrogravitation,Universität BremenKurzgefasst• Freie, turbulente Konvektionen sind thermal getriebeneStrömungen, bei welchen aufgrund hoherlokaler Temperaturgradienten und daraus resultierenderDichteunterschiede Turbulenzen inForm von Wirbeln entstehen.• In der Meteorologie treten Konvektionsströmungenz.B. als Tornados oder großskalige Wirbelstürmeauf, welche sich aufgrund unterschiedlichdurch die Sonneneinstrahlung erhitzterLuftschichten bilden.• Ebenfalls werden sie in technischen Bereichenz.B. zur Kühlung von technischen Komponenteneingesetzt, wo Ventilatoren aufgrundvon Lärmbelastung und Fehleranfälligkeit nichtgewünscht sind.• Die Simulation dieser Strömungen soll Aufschlussüber das Temperatur- und Geschwindigkeitsprofilund die daraus resultierendeWärmeübertragung vor allem in wand- bzw. bodennahenBereichen geben. Außerdem soll dieStabilität der Strömung, auch in Hinblick auf denEinfluss der Erdrotation, untersucht werden.• Aufgrund von Parameterstudien und kleinskaligenEinflussgrößen ist ein hohe Rechenleistungnotwendig.Turbulente Konvektionsströmungen werden entscheidenddurch die auftretenden Wirbel charakterisiert,welche die Temperatur- und Geschwindigkeitsfelderbeeinflussen und damit auch dieWärmeübertragung zwischen den einzelnen Fluidschichten.Um diese Verhältnisse in Konvektionsströmungennumerisch untersuchen zu können,muss zunächst eine vereinfachte, geeignete Geometriegefunden werden. Hierfür wurde ein abgeschlossener,rechteckiger Container mit einerHöhe von 0.75 m, einer Länge von 0.75 m, undeiner Tiefe von 1.5 m gewählt. Der Container istmit Luft gefüllt und die vertikalen Wände werdenunterschiedlich mit einer Temperaturdifferenz von40 K temperiert. Diese Differenz dient als Grundlagefür die Entstehung der freien Konvektion. Diehorizontalen Wände des Containers sind adiabat.Der Schwerpunkt der Simulationen liegt vor allemauf der Untersuchung der Temperatur- undGeschwindigkeitsfelder der wandnahen Bereichedes Containers, da sich hier die turbulenten Wirbelentwickeln. An den vertikalen Wänden existierenhohe Temperaturgradienten, wodurch sichein konduktionsdominiertes Temperaturfeld einstellt.In der linken oberen Ecke und der gegenüberliegendenrechten unteren Ecke des Containersbilden sich Scharen von Rezirkulationszonenaus, welche genauer untersucht werden sollen.Das Temperaturfeld in der Mitte wird durchniedrige Temperaturgradienten und Konvektion beherrscht,was einen Wärmestrom durch Massentransportbedingt. In Nähe der horizontalen adiabatenWände stellt sich ein fast homogenes Temperaturfeldein. Hier ist die thermale Diffusion derhorizontalen Wände noch näher zu betrachten.Für die numerische Simulation der Konvektionsströmungwird eine Large-Eddy-Simulation(LES) durchgeführt. Bei einer LES werden nichtalle Skalen der auftretenden Wirbel numerisch direktaufgelöst, was wie bei der direkten numerischenSimulation (DNS) einen erheblich höherenRechenaufwand mit sich bringen würde. Die Simulationberechnet nur die großskaligen Wirbel,während die kleinskaligen Wirbel durch einSubgridscale-Modell beschrieben werden. In diesemFall wird hierfür ein Modell nach Fureby [1]gewählt, welches mit einer kompressiblen Formdes Smagorinsky-Modells vergleichbar ist. Da sichdie Turbulenzen vor allem in den Temperaturgrenzschichtender vertikalen Wände entwickeln, ist hiereine geeignete feine Auflösung des Diskretisierungsgittersder Simulationsgeometrie ausschlaggebend.Das entstehende Gitter umfasst ca. 5 ·10 6Gitterpunkte. Aufgrund der notwendigen Simulationsdauervon 10 9 Zeitschritten wird ein hohe Rechenleistungund eine Parallelisierung auf mehrerehundert Prozessoren notwendig.Bei der numerischen Untersuchung ist vorallem die Frage interessant, wie sich dieTemperatur- bzw. Geschwindigkeitsfelder und dieWärmeübertragung für verschiedene Parameter,wie z.B. die Temperaturrandbedingung, verändern.Hierbei steht die Rayleigh-Zahl eine dimensionsloseKennzahl, welche den Wärmetransport in denLuftschichten beschreibt, im Mittelpunkt. Da dieRayleigh-Zahl in den vorzunehmenden Simulationendurch die Länge des Containers charakterisiertist, müssen mehere mögliche Dimensionender Geometrie simuliert werden. Eine weitereParamtervariation dieses Vorhabens beinhaltetdie Orientierung der Wärmetauscher. Bei ei-Ingenieurwissenschaften