Turbulente, chemisch reagierende Mehrphasenströmung in Wandnähe

Turbulente, chemisch reagierende Mehrphasenströmung in Wandnähe Im TRR 150 erarbeiten Wissenschaftler*innen der TU Darmstadt und des Karlsruher Instituts für Technologie gemeinsam die wissenschaftlichen Grundlagen und Modelle zur chemischen Reaktionskinetik, zu komplexen Dreiphasenströmungen, zur instationären Wärmeübertragung in Wandnähe und zur Turbulenz-Chemie-Wand-Interaktion.

Motivation

Aus den Arbeiten der ersten Förderperiode ist deutlich geworden, dass die Wechselwirkung zwischen Wänden und Skalaren, die an der Wand unterschiedliche Randbedingungen haben, von großer Bedeutung ist. So gibt es z.B. für die Temperatur einen endlichen Gradienten (gleichbedeutend mit dem Auftreten von Wärmeverlusten in der Wand), während für die Konzentration ein Nullgradient besteht (kein Speziestransport durch die Wand). Trifft eine Scherströmung aus zwei Teilströmen unterschiedlicher Konzentration und Temperatur auf eine Wand, so wird aufgrund der Analogie zwischen Wärme- und Stofftransport weit von der Wand entfernt eine perfekte Korrelation zwischen Temperatur und Konzentration beobachtet. In der Nähe der Wand ist eine Dekorrelation aufgrund der unterschiedlichen Randbedingungen zu erwarten. Diese Bedingungen sind sowohl für die detaillierten Methoden zur Reduzierung der Kinetik als auch für die Modellierung der Wechselwirkung zwischen Turbulenz und Chemie von entscheidender Bedeutung. Da diese Wechselwirkung noch nicht gut verstanden ist, wurde dieses neue Teilprojekt mit dem Ziel konzipiert, die zugrundeliegenden Mechanismen mit Hilfe eines generischen Experiments im Detail zu untersuchen.

Ziele

Das Teilprojekt untersucht die Wechselwirkung zwischen Skalartransport und Turbulenz in der Nähe von Wänden. Dazu wird eine generische Strömungskonfiguration verwendet, die relevante, in Verbrennungsmotoren und Abgassystemen beobachtete Strömungen nachahmt. Die Versuchsanordnung besteht aus einer rechteckigen Düse, die im Inneren durch eine Trennplatte geteilt wird. Die beiden Teilströme können unterschiedliche Reynoldszahlen und/oder Temperaturen bzw. Dichten aufweisen. In einem definierten Abstand von der Düse treffen die beiden Teilströme unter unterschiedlichen Winkeln auf eine (heiße) Wand. Ziel der geplanten Experimente ist es, den Impuls-, Wärme- und Stoffübergang der gasförmigen turbulenten Scherschicht zwischen den beiden Strömungen beim Auftreffen auf die Wand zu untersuchen. Die Geschwindigkeits-, Temperatur- und Konzentrationsfelder entlang der Scherschicht und im wandnahen Bereich werden gleichzeitig gemessen. Daraus werden mehrdimensionale gemeinsame Wahrscheinlichkeitsverteilungsfunktionen (PDFs) abgeleitet. Die gewonnenen Messdaten dienen anderen Teilprojekten zur Modellentwicklung und Validierung entsprechender numerischer Simulationen.

Laufende Arbeiten

Aktuelle Zielsetzung ist die Entwicklung einer permeablen Prallplatte mit zusätzlichem Massenstrom durch die Wand, für das neue Leitbeispiel "Flammensicherheit". Weiterhin werden die verschiedenen Laserdiagnoseverfahren (PIV/PTV und PLIF), sowie Infrarotthermographie weitergeführt. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der gleichzeitigen Messung von Geschwindigkeit, Temperatur und Tracerkonzentration. Derzeit wird die Gasphasentemperatur aus den LIF Messung ausgewertet um die Entkopplung der Skalarfelder zu zeigen. Des Weiteren wird der Einfluss der Oberflächenrauigkeit auf den Wärmeübergang zwischen Fluid und Wand untersucht.