Large eddy simulation of three-dimensional mixed convection on a vertical plate

Garbrecht, Oliver; Kabelac, Stephan; Kneer, Reinhold

doi:HT019618855

Large eddy simulation of three-dimensional mixed convection on a vertical plate = Large Eddy Simulation von dreidimensionaler Mischkonvektion an einer vertikalen Platte

Garbrecht, Oliver^RWTH*

2017 & 2018

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Oliver Garbrecht

ImpressumAachen 2017

Umfang1 Online-Ressource (f; 237 Seiten) : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2018

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Kneer, Reinhold (Thesis advisor)^RWTH* ; Kabelac, Stephan (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-08-23

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-221554
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/718097/files/718097.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Wärme- und Stoffübertragung (412610)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
OpenFOAM (frei) ; heat transfer (frei) ; large eddy simulation (frei) ; mixed convection (frei) ; thermo-fluid Interaction (frei) ; turbulence (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Konvektive Wärmeverluste an solaren Strahlungsempfängern sind eine Überlagerung von natürlicher und erzwungener Konvektion. Diese sogenannte gemischte Konvektion wird von zwei Faktoren beeinflusst: Erstens, von der Richtung der Gravitation. Ist diese parallel zur aufgeprägten Strömung, stellt sich ein zweidimensionaler Strömungsfall ein. Steht die Gravitation senkrecht zum Freistrom, ergibt sich dreidimensionale gemischte Konvektion. Zweitens, vom relativen Einfluss des Auftriebs, beschrieben durch die Richardson-Zahl (Gr/Re^2). In der vorliegenden Arbeit werden hierfür drei Regime unterschieden: auftriebsdominierte, trägheitsdominierte und gemischte Konvektion mit gleichstarken Mechanismen. Das Ziel der Arbeit ist die Untersuchung der Thermo-Fluid-Interaktion bei dreidimensionaler gemischter Konvektion mittels numerischer Stömungsmechanik. Ein Grobstruktursimulationsmodell wurde entwickelt und qualitativ validiert. Mehrere Simulationen eines horizontalen Fluidstromes entlang einer vertikalen, flachen, heißen Platte wurden durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass Instabilitäten durch Auftrieb der entscheidende Faktor für den laminar-turbulenten Umschlag sind. Eine geringere Oberflächentemperatur führt so zu einer erheblichen Verringerung der Turbulenz. Weiterhin wurde gezeigt, dass eine höhere Freistromgeschwindigkeit die Instabilitäten unterdrückt und somit die Transition verzögert. Diese Ergebnisse sind für den Wärmeübergang von Relevanz, da dieser von den turbulenten Transportmechanismen dominiert wird. In Abhängigkeit der Strömungsbedingungen kann eine höhere Strömungsgeschwindigkeit somit den mittleren Wärmeübergang verringern. Um die hierfür zugrunde liegenden Mechanismen zu untersuchen wurden Grenzschichtprofile ausgewertet. Hierbei kann die Grenzschichtströmung bei dreidimensionaler, gemischter Konvektion durch einen lokalen Strömungswinkel und den Betrag des Geschwindigkeitsvektors beschrieben werden. In Wandnähe wurde so eine Region mit hohen Winkeln gefunden, in welcher der Auftrieb eine wichtige Rolle spielt. Nach dem laminar-turbulenten Umschlag spiegelt sich hier der turbulente Transport von horizontalem Impuls aus dem Freistrom heraus in einer Verringerung des Strömungswinkel wider. Deshalb traten die höchsten Winkel grundsätzlich in der Transitionszone auf. In den Simulationsfällen, in denen Auftrieb eine große Rolle spielt, entwickelte sich ein ausgeprägtes Geschwindigkeitsmaximum.In den turbulenten kohärenten Strukturen zeigte sich ein charakteristisches Muster: In der laminaren Strömung entwickeln sich langgezogene Wirbelfäden, die aufgrund von sekundären Instabilitäten in verschiedene kohärente Strukturen zerfallen (z.B. in Haarnadel-Wirbel). Diese Wirbel werden von der Auftriebsströmung verzerrt. Die Strömungsergebnisse erlauben weitreichende Einblicke in die Physik der gemischten Konvektion. Jedoch wurden so auch die Herausforderungen für zukünftige Modellierungsansätze aufgezeigt. Dies betrifft insbesondere die Entwicklung von Wärmeübergangskorrelationen und numerischen Wandmodellen.

Convective heat losses on solar central receivers arise from a combination of buoyancy-driven natural and forced convection. This mixed convection is characterized by two factors: First, the direction of gravity. Gravity aligned with the imposed flow results in a two-dimensional flow case. Three-dimensional mixed convection occurs when gravity acts perpendicular to the free stream. The second factor is the relative influence of buoyancy, as described by Gr/Re^2. In this work, three regimes are distinguished: Buoyancy-dominated, interia-dominated, and mixed convection with equipollent mechanisms. This thesis seeks to investigate the thermo-fluid interaction of turbulent three-dimensional mixed convection by using computational fluid dynamics. For that purpose, a large-eddy simulation model has been developed and qualitatively validated. In a series of simulations, a flat, hot, vertical plate was exposed to a horizontal fluid flow. Interpretation of the simulation results proved that buoyancy-induced instabilities are a key factor in the onset of turbulence. Reducing the plate temperature led to a significant reduction in turbulence. It was also found that an increase in free-stream velocity suppresses instabilities, delaying the laminar-turbulent transition. These findings are of high relevance for the heat transfer, as an evaluation of the heat transport mechanisms revealed that most of the transfer is linked to turbulence. Depending on flow conditions, a higher velocity can thus reduce the average heat transfer rate off the plate. In order to understand the underlying mechanisms, boundary layer profiles were evaluated. A three-dimensional mixed convection boundary layer flow can be described by a local flow angle and a local velocity magnitude. In wall proximity, a high-angle region was found, exhibiting a significant vertical updraft. After transition, the turbulent transport of horizontal momentum from the free stream into this region is reflected in a reduction of the angle. Consequently, the highest angles were found in the transition zone. When buoyancy had a high influence, a distinct velocity peak emerged in the velocity magnitude. The turbulent coherent structures showed a characteristic pattern: In the laminar flow, elongated streaks form prior to transition. These streaks soon exhibit secondary instabilities and eventually break up into structures like wall-attached hairpin vortices. Here, the buoyancy-fueled updraft has an impact by partially distorting these vortices. While the simulation results are successful in providing insights into the physics, they also point out challenges in finding physically meaningful modeling approaches. This is true i.e. for heat transfer correlations and numerical wall models.

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