Projekt 2001: Bericht über die gemeinsame Arbeit am Projekt „Wirbelstrukturen im Nachlauf brennender Polyethylentropfen“

Autoren: Kunio Kuwahara (ISAS) und Karl G. Roesner (TUD)

 

Abb.1: Kurzzeitaufnahme der Tropfenumströmung

Die Verbrennung von Polyethylen im Schwerefeld der Erde in Form fallender Tropfen ist von der Abstrahlung von Schallenergie mit einem typischen Frequenzspektrum begleitet. Optische Kurzzeitaufnahmen mit einer Videokamera lassen den Schluss zu, dass sich im Nachlauf des fallenden Tropfens Wirbelstrukturen bilden, die bei einer bestimmten Reynoldszahl – bezogen auf die momentane Fallgeschwindigkeit des Polyethylentropfens – zu einem intermittenten Verbennungsvorgang am Tropfen führen (Abb. 1).

Diese Intermittenz ist die Ursache für die Druckschwankungen am Tropfen, die sich letztlich an der akustischen Schallabstrahlung messen lassen.

 

Abb. 2: Numerische Simulation der Kugelumströmung

In Zusammenarbeit mit K. KUWAHARA wurde mit der numerischen Simulation der Umströmung einer Kugel mit hoher Oberflächentemperatur gegenüber der Umgebungsluft begonnen. Die ersten Ergebnisse für den Fall der kalten Kugel zeigt die Abb. 2.

Während des einwöchigen Aufenthalts von Herrn Prof. KUWAHARA konnten weitere Ergebnisse für die reine Konvektionsströmung um eine heiße Kugel im Schwerefeld der Erde gewonnen werden. Die Einbeziehung der beschleunigten Fallbewegung des Tropfens soll in der Folgezeit versucht werden. Wie bereits die numerischen Daten für die nicht erhitzte Kugel zeigen, erhält man im Nachlauf eine abgelöste Wirbelstruktur, die sich in geringem Abstand vom Tropfen bildet. Bei Berücksichtigung der erhitzten Kugel dürfte der große Auftrieb dafür sorgen, dass sich eine dem Experiment ähnliche Struktur im Nachlauf ergibt.

Bei Übereinstimmung von experimentellen und numerischen Daten kann dann auch die numerische Simulation für Bereiche des Strömungsfeldes vorgenommen, die sich einem experimentellen Zugriff entziehen. Die Untersuchungen haben einen direkten praktischen Bezug zur Frage der Verbrennung von Kraftstoffen, die durch Düsen in den Brennraum von Motoren eingespritzt werden.

Numerical simulation and experimental verification of a facade model for the natural ventilation of rooms

Author: K. G. Roesner, Institut für Ströhmungslehre und Aerodynamik, Technische Universität Darmstadt

Fig. 1: Sketch of the facade model (drawing by Stefan Menzel)

In cooperation with the Department of Civil Engineering (Prof. Stefan Schäfer) and the Department of Mechanical Engineering (Prof. K. G. Roesner) of the Darmstadt University of Technology a project was started with the aim to get reliable information about the fluid dynamical characteristics of the flow in the model of a new type of  facade. This double facade window type is designed to replace artificial air conditionning systems by natural ventilation on the basis of convective air flow. The ultimate goal of the investigation is the optimization of the parameters of the whole system. A sketch of the facade model is given in Fig. 1.

Fig. 2: Streamlines near the outlet at the top of the double facade (picture taken by Stefan Menzel)

The solution of this problem was sought in two ways: In a first step numerical calculations on the basis of the direct numerical simulation were performed using the software package NAGARE which was developed by Prof. Kunio Kuwahara of the ICFD (Institute of Computational Fluid Dynamics, Tokyo), perfectly designed for the solution of the Navier-Stokes equations and the energy equation which plays a major role in the numerical approach. A picture of the streamlines near the outlet of the facade is described in Fig. 2.

Fig. 3: Result of the data analysis by Uemura's software (picture taken by Stefan Menzel)

The implementation of the software on a workstation at the Institute of Prof. Schäfer was done by Prof. Satoko Komurasaki of the Nihon-University, Tokyo, College of Science and Technology, who stayed in Darmstadt two times for a longer period of time, for which the financial support was partly contributed by the JSPS-fond.

In a second step measurements were performed with the perspex model by Dipl.-Ing. Stefan Menzel in collaboration with Prof. K. G. Roesner using the Particle Image Velocimetry (PIV-method) for which the analysis of the pictures – taken by a laser sheet technique – was developed by Prof. Dr. Tomomasa Uemura of the Kansai  University, Department of Industrial Engineering in Osaka. The collaboration of Prof. Uemura with Prof. Roesner dates back to the late nineteeth, when Prof. Uemura was invited to present his excellent method of Particle Image Velocitmetry at the Darmstadt University of Technology. A typical picture of the results – taken at the entrance of the double facade window – is shown in Fig. 3.

Neues vom Club 03/2020
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