Strömungsmechanik

Thermo-Elektro-Hydro-Dynamik (TEHD) Thermo-elektro-hydrodynamisch TEHD getriebene Wärmetransporterhöhung im vertikalen Zylinderspalt - Experimente und numerische Simulation im Kontext von Messunsicherheiten und optimaler Versuchsplanung (DFG EG 100/20-1)

Gekapselte technische Systeme sind allgegenwärtig. Ihre Aufgabe ist es z.B. für eine thermische Isolierung zu sorgen, oder sie kontrollieren verschiedene technische Wärme-Prozesse. Eine Verbesserung des Wärmetransportes ist dabei im Hinblick auf eine Verringerung der Betriebskosten und vor dem Hintergrund nachhaltiger Ressourcennutzung von generellem Interesse. Von den verfügbaren Techniken zur Verbesserung des Wärmetransportes steht hier die aktive Methode mit der Anwendung von elektrischen Feldern, bekannt als thermo-elektro-hydrodynamische TEHD Methode, im Vordergrund. Prägen wir dem System über eine Spannung ein solches elektrische Feld auf, betrachten wir die elektrische Kraft, die sich aus der elektrophoretischen (Coulomb-) und der dielektrischen Kraft zusammensetzt. Im Zentrum der Untersuchung steht bisher die Ausnutzung der Coulomb-Kraft, die über die Verwendung von Gleichspannungsfeldern dominiert. Die dielektrische Kraft wird vorranging im Zusammenhang mit Elektrophorese (Trennung von Teilchen) genutzt. Betrachten wir nun das Modell eines zylindrischen Gehäuses mit einem inneren geheizten und einem äußeren gekühlten Zylinder. Dieser vertikale Zylinderspalt ist von endlicher Höhe mit adiabatischen oberen und unteren Grenzen. Der Temperaturunterschied zwischen den Rändern induziert die natürliche Konvektion im Spalt bei infinitesimal kleinen Temperaturunterschieden. Diesem System überlagern wir eine hochfrequente Wechselspannung um Effekte der dielektrischen Kraft zu untersuchen. Eine konkrete Aufgabe ist es, einen funktionalen Zusammenhang für die Nusselt-Zahl mit der klassischen und elektrischen Ralyeigh-Zahl zu bestimmen. Da TEHD Phänomene mit realen Dimensionen verbunden sind, ist auch eine Skalierung von Interesse. Dabei werden komplementär experimentelle Untersuchungen und numerische Simulation durchgeführt. Experimentelle Messdaten sind real und stellen im Gegensatz zu numerischen Daten keine Näherung dar. Dagegen liefern sie aber Messwerte z.B. der Wärmeübertragung nur an ausgewählten zugänglichen Stellen. Numerische Simulationen liefern zusätzliche Informationen im gesamten System (Temperatur- und Geschwindigkeitsfeld). Darüber hinaus validiert sie das bisher genutzte physikalische TEHD Modell. Nur dann können die physikalischen Mechanismen erklärt werden, die zur Verbesserung der Wärmeübertragung und ihrer Effizienz beitragen. Der komplementäre Einsatz von Mess- und Simulationsdaten kommt insbesondere bei der Quantifizierung der Unsicherheiten im System zur Geltung. Dabei werden sowohl experimentelle Unsicherheiten (z.B. Messfehler) als auch strukturelle Unsicherheiten (z.B. ungenaue physikalische Modelle) diskutiert. Auf der Seite der numerischen Simulation wenden wir Methoden der optimalen Versuchsplanung OED an (Tuning Simulation und Labordaten), um zuverlässige experimentelle Daten mit kleinen Messfehler produzieren zu können und die Genauigkeit der geschätzten Modellparameter zu erhöhen.

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