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.
Die vollständige
Dissertation ist als PDF-Datei verfügbar. Die Folien der
Disputation können ebenfalls eingesehen werden.
Mehr zum Thema CFD am Fachgebiet finden Sie auf der entsprechenden
Forschungsseite.
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