Zur Simulation von auftriebsinduzierten Innenraumströmungen
Zusammenfassung
Die numerische Strömungssimulation mit dem Werkzeug "Computational Fluid Dynamics" (CFD), ursprünglich vor allem in den Bereichen der Luft- und Raumfahrttechnik, des Automobilbaus und der Turbomaschinen verbreitet, findet in den letzten Jahren zunehmend Anwendung im Bereich der Raumluftströmungen.
Der Teilbereich der Auftriebsströmungen ist dabei einerseits von besonderem Interesse, andererseits ist die Modellierung schwierig und aufwendig. Veröffentlichte CFD-Berechnungen zeigen zum Teil unplausible Resultate, verwertbare Validationsmessungen existieren kaum.
Im Rahmen der Arbeit werden anhand von Messungen mit Hilfe der Laser-Messtechnik „Particle Image Velocimetry“ (PIV) sowie mit Hilfe von Rauchversuchen die Strömungseigenschaften bestimmt, die sich in einem Versuchsaufbau mit einer untenliegenden Heizplatte und einer obenliegenden Kühlplatte einstellen.
Bei - im Rahmen der im Versuch erzielbaren Genauigkeit - völlig symmetrischem Aufbau zeigt sich ein in beiden Hochachsen stark asymmetrisches und zudem instationäres Strömungsbild.
Bei der anschließenden CFD-Simulation des Versuchsaufbaus wird eine Vielzahl von Parametern variiert und die Ergebnisse den Resultaten der Messungen gegenübergestellt.
Als besonders günstig für die Simulation der beschriebenen Strömung erweist sich die Verwendung dreidimensionaler Berechnungsgitter und instationärer Lösungsmethoden mit hinreichend kurzen Zeitschritten. Damit werden die gemessenen Strömungseigenschaften in fast allen Parametern sehr gut berechnet.
Die zweidimensionale Simulation entlang der längsgerichteten Hauptachse ist in keinem modellierten Fall in der Lage, den asymmetrischen Charakter der Strömung wiederzugeben. Bereits die Verwendung einer Symmetrieebene entlang dieser Achse schlägt sich in deutlichen Berechnungsproblemen nieder.
Den Abschluss der Arbeit bildet ein Anwendungsbeispiel einer vorwiegend unten beheizten Maisonette-Wohnung mit offenem Treppendurchlass, bei dem die zeitliche Entwicklung der sich einstellenden Auftriebsströmung simuliert wird.