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Paketantrag zur Themengruppe 2 "Thermische Konvektion bei großen Rayleigh-Zahlen'' Teilprojekt 1 Experimentelle Untersuchung turbulenter Rayleigh-BénardKonvektion in Luft eingereicht an die Deutsche Forschungsgemeinschaft von Prof. Dr. André Thess Dr. Christian Resagk Technische Universität Ilmenau Fakultät für Maschinenbau Fachgebiet Thermo- und Fluiddynamik 98684 Ilmenau und Prof. Dr. Friedrich H. Busse Dr. Andreas Tilgner Universität Bayreuth Physikalisches Institut Lehrstuhl für Theoretische Physik V 95440 Bayreuth 1. Allgemeine Angaben Antrag auf Gewährung einer Sachbeihilfe durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft, Neuantrag 1.1 Antragsteller Name: Dienststellung: Geburtsdatum: Staatsbürgerschaft: Geschäftszeichen: Institution: Fachbereich: Telefon: Fax: E-Mail: Privatadresse: Privattelefon: André Thess, Prof. Dr. rer. nat. habil. Universitätsprofessor 22.02.1964 deutsch Th 497 TU Ilmenau, Fak. f. Maschinenbau, PF 100565, 98684 Ilmenau Thermo- und Fluiddynamik 03677 69 2445 03677 69 1281 [email protected] Bergmannstr. 13, 01309 Dresden 0351 3118874 Name: Dienststellung: Geburtsdatum: Staatsbürgerschaft: Geschäftszeichen: Institution: Fachbereich: Telefon: Fax: E-Mail: Privatadresse: Privattelefon: Christian Resagk, Dr. rer. nat. wissenschaftlicher Mitarbeiter 22.04.1955 deutsch Re 1066 TU Ilmenau, Fak. f. Maschinenbau, PF 100565, 98684 Ilmenau Thermo- und Fluiddynamik 03677 69 2444 03677 69 2441 [email protected] Am Wümberg 7, 98704 Wümbach 036785 50189 Name: Dienststellung: Geburtsdatum: Staatsbürgerschaft: Geschäftszeichen: Institution: Fachbereich: Telefon: Fax: E-Mail: Privatadresse: Privattelefon: Friedrich H. Busse, Prof. Dr. rer. nat. habil. Universitätsprofessor ????????? deutsch ?????????? Universität Bayreuth, Physikalisches Institut, 95440 Bayreuth Lehrstuhl Theoretische Physik IV 0921 553329 0921 555820 [email protected] ?????????? ??????????? Name: Dienststellung: Geburtsdatum: Staatsbürgerschaft: Geschäftszeichen: Institution: Fachbereich: Telefon: Fax: E-Mail: Privatadresse: Privattelefon: Andreas Tilgner, Dr. rer. nat. habil. wissenschaftlicher Assistent ???????????? deutsch Ti 243 Universität Bayreuth, Physikalisches Institut, 95440 Bayreuth Lehrstuhl Theoretische Physik IV 0921 553329 0921 555820 [email protected] Robert-Koch-Str. 7, 95447 Bayreuth 0921 57756 2 1.2 Thema Experimentelle Untersuchung turbulenter Rayleigh-Bénard-Konvektion in Luft 1.3 Kennwort Ilmenauer Fass, Stichwort: Interdisziplinäre Turbulenzinitiative 1.4 Fachgebiet Turbulenzforschung, thermische Konvektion, Strömungsmesstechnik 1.5 Voraussichtliche Gesamtdauer 6 Jahre 1.6 Antragszeitraum 3 Jahre 1.7 Gewünschter Beginn der Förderung 01.10.2000 1.8 Zusammenfassung Thermische Konvektionsströmungen in Natur und Technik sind in der Regel stark turbulent. Das mangelhafte Verständnis solcher Strömungen spiegelt sich in einer ungenauen Vorhersage von Wetter, Klima sowie turbulenter Luftzirkulation in großen Gebäuden wieder. Mit dem vorliegenden Projekt soll es erstmalig möglich werden, das Geschwindigkeitsfeld einer stark turbulenten Konvektionsströmung von der Makroskala bis hinunter zur Mikroskala (Kolmogorov-Skala) zu vermessen. Dies soll durch Präzisionsexperimente in einem zylindrischen, von unten beheizten und von oben gekühlten Behälter mit einem Durchmesser von ca. 7 Metern und variabler Höhe erfolgen. Durch eine Kombination aus globaler Strömungsvisualisierung mittels Lichtschnitttechnik und hochauflösender lokaler Strömungs- sowie Temperaturfeldmessung mittels 2d Laser-DopplerAmenometrie (LDA), Partikel-Image-Velocimetrie (PIV), Mikrotemperatur- und Geschwindigkeitssonden sollen zwei Ziele erreicht werden. Einerseits sind durch Experimente bei einer maximalen Höhe von ca. 7 Metern die statistischen Eigenschaften der turbulenten Geschwindigkeits- und Temperaturgrenzschichten in der Nähe von Heiz- und Kühlplatte umfassend zu charakterisieren. Andererseits soll durch Experimente mit einem großen Aspektverhältnis von 10 die Frage nach den Gemeinsamkeiten von laminarer und turbulenter Strukturbildung bei thermischer Konvektion geklärt werden. Die in Ilmenau durchgeführten Experimente werden durch Datenanalyse und numerische Direktsimulation an der Universität Bayreuth begleitet. 3 2. Stand der Forschung, eigene Vorarbeiten 2.1 Stand der Forschung 2.1.1 Turbulente thermische Konvektion Gegenstand des vorliegenden Projektes ist die in Abbildung 1 dargestellte Klasse von Konvektionsströmungen in einem zylindrischen, von unten beheizten und von oben gekühlten Behälter. Diese, als Rayleigh-Bénard-Konvektion bezeichnete Strömung stellt aufgrund ihrer konzeptionellen Einfachheit den Prototyp für zahlreiche komplexe Strömungen in der Erdatmosphäre sowie in technischen Apparaten dar. Auch aus grundsätzlichen physikalischen Gründen ist die Wandkonvektion von fundamentalen Interesse. Die thermische Wandkonvektion bei hohen RayleighZahlen in einer Fluidschicht stellt die Möglichkeit dar, ein turbulentes System im Labor zu realisieren. Kühlung To Turbulente Auftriebsströmung Heizung To + T Wärmestrom Q Abb.1: Rayleigh-Bénard-Konvektion in einem zylindrischen Behälter. Die Seitenwände werden als vollständig wärmeisoliert betrachtet. Im Fall einer ausgedehnten Schicht sind horizontal isotrope Verhältnisse annähernd realisiert und keine mittlere Strömung advektiert die turbulenten Wirbel innerhalb kurzer Zeit aus dem Beobachtungsbereich. Daher hat sich die Konvektion bei hohen Rayleigh-Zahlen als bevorzugtes Beispiel zur Untersuchung der Turbulenzstrukturen und der voll entwickelten Turbulenz herausgestellt. Sowohl theoretische Untersuchungen als auch experimentelle Messungen sind diesem fundamentalen System in zunehmenden Maße gewidmet worden. Der Zustand eines Rayleigh-Bénard-Systems in einem zylindrischen Behälter der Höhe H und des Durchmessers D bei einer aufgeprägten Temperaturdifferenz T wird durch die drei dimensionslosen Parameter Rayleigh-Zahl Ra gH3 T Prandtl-Zahl Pr 4 A Aspektverhältnis D H gekennzeichnet. Dabei bezeichnen , und die kinematische Viskosität, die thermische Diffusivität, den Ausdehnungskoeffizienten und die Wärmeleitfähigkeit des Fluids, g ist die Erdbeschleunigung. Die Herausforderung liegt in einer möglichst akkuraten Vorhersage der Nusselt-Zahl Nu H 4Q D 2 T Reynolds-Zahl Re vH und der für gegebene Werte von Ra, A und Pr bei Ra > 108. Der Wärmetransport bei turbulenter Konvektion in einer von unten erhitzten Fluidschicht gilt in der Meteorologie, in den Ingenieurwissenschaften und in der Astrophysik schon lange als ein fundamentales Problem dessen Beantwortung für viele Anwendungen von großer Bedeutung ist. Frühe experimentelle Untersuchungen der turbulenten thermischen Konvektion wie die von Malkus (1954), Silverton (1958), Deardorff und Willis (1967) wurden durch die Wichtigkeit des turbulenten Wärmetransport für geo- und astrophysikalische sowie ingenieurmäßige Anwendungen motiviert. In neuerer Zeit hat die Konvektion in der von unten geheizten Fluidschicht als grundlegendes Beispiel für turbulente Prozesse zunehmendes Interesse bei Physikern gefunden. Im Unterschied zur Turbulenz in Kanal- oder Rohrströmungen werden die turbulenten Wirbel nicht durch die mittlere Strömung in kurzer Zeit aus dem Bereich der experimentellen Beobachtung hinweg advektiert, sonder sie können über lange Zeiten hinweg verfolgt werden. Zudem repräsentiert die Konvektion in einer ausgedehnten horizontalen Fluidschicht den einfachsten turbulenten Transportprozess, der im Unterschied zu allen anderen bezüglich zweier Dimensionen isotrop ist. Damit weist die turbulente Konvektion die minimale Abhängigkeit von einer (nämlich der vertikalen) Richtung auf, die für einen stationären Nichtgleichgewichtszustand erforderlich ist. Diese Gründe haben zu intensiven Aktivitäten von Libchaber und Mitarbeitern (Castaing et al., 1989) und anderen Gruppen geführt mit dem Ziel, turbulente Konvektion bei möglichst hohen Rayleigh-Zahlen zu untersuchen. Obwohl die in Frankreich und in den USA (Chavanne et al 1997, Donnelly et al 1999) durchgeführten Heliumexperimente die genauesten je unter Laborbedingungen vorgenommenen Messungen des turbulenten Wärmetransports verkörpern, sind sie aufgrund des Fehlens von Strömungsmess und – visualisierungsverfahren für nichtisothermes kryogenes Helium nur sehr beschränkt in der Lage, Strukturinformationen über die Geschwindigkeits- und Temperaturfelder zu vermitteln. Aus diesem Grund sind Experimente mit transparenten Fluiden (Wasser, Gase) sehr wichtig geworden, da sie detaillierte Messungen von Geschwindigkeitsverteilungen erlauben. Die in den vergangenen Jahren durchgeführten Experimente (Belmonte et al 1993, Belmonte et al 1994, Tilgner et al 1993, Xin et al 1995, Shen et al 1995) waren zumeist auf die Temperaturmessungen beschränkt. Wenn Geschwindigkeiten gemessen wurden, konnte sie nicht mit Temperaturmessungen kombiniert werden. Zusammenfassend lässt sich daher ein Fehlen von kombinierten Geschwindigkeits- und 5 Temperaturmessungen der turbulenten thermischen Konvektion bei hohen Rayleigh-Zahlen konstatieren. Hohe Rayleigh-Zahlen lassen sich prinzipiell auf zwei Wegen erreichen: entweder durch Verwendung von Fluiden mit ausserordentlich niedriger kinematischer Viskosität wie Helium oder durch Experimente in sehr großen Behältern. Letztere Variante ist besonders effektiv, weil die Rayleigh-Zahl mit der dritten Potenz der Fluidhöhe wächst. Die Grundidee des vorliegenden Projekts besteht in der Realisierung eines Rayleigh-Benard-Experiments in einem Behälter mit 7 Meter Durchmesser und 7 Metern Höhe zunächst mit dem Arbeitsfluid Luft, langfristig jedoch mit Wasser. Dieser Zugang hat gegenüber Helium-Experimenten folgende Vorteile: Durch Verwendung des transparenten, einfach handhabbaren und kostenlosen Arbeitsmediums Luft kann bei der Strömungsmessung- und Visualisierung auf die gut entwickelten berührungslosen optischen Messverfahren Laser-Doppler-Anemometrie (LDA) und ParticleImage-Velocimetrie (PIV) zurückgegriffen werden. Diese Methoden sind im Helium derzeit nicht anwendbar. Aufgrund der großen Abmessungen des Experiments sind selbst die kleinsten Wirbelstrukturen im Bereich von Millimetern – die sogenannte Kolmogorov-Skala – und auch die thermischen Grenzschichten einer Messung zugänglich. In Heliumexperimenten liegt die Kolmogorovskala hingegen im Mikrometerbereich und entzieht sich gegenwärtig einer messtechnischen Analyse. Gleichzeitig darf jedoch ein entscheidender Nachteil von Luft- gegenüber Heliumexperimenten nicht unerwähnt bleiben: Die mit Luft erreichbaren Rayleigh-Zahlen liegen um ca. 5 Größenordnungen unter dem "Weltrekordwert" von Ra=1017 mit Helium. Dieser Abstand soll in einem nächsten Schritt durch Übergang zu Wasser bis auf eine Größenordnung verringert werden. 2.1.2 Strömungsvisualisierung und Geschwindigkeitsfeldmessung Das zentrale Ziel des vorliegenden Projektes besteht in der Gewinnung von Geschwindigkeits- und Temperaturmessdaten, dessen räumliche und zeitliche Auflösung weit über das in bisherigen Konvektionsexperimenten erzielte Maß hinausgeht. Aus diesem Grunde kommt der Messtechnik im diesem Projekt eine besonders wichtige Rolle zu. Zur Visualisierung von Luftströmungen verwendet man optische Streulichtverfahren. Diese nichtinvasive Methode nutzt die Lichtstreuung von kleinen Partikeln in einem Lichtschnitt aus. Der Lichtschnitt kann sowohl mit einer Weisslichtquelle als auch mit einem Laserstrahl in Verbindung einer Zylinderoptik oder einem Polygonspiegel-Scanner erzeugt werden. Die Aufnahme der Partikelbahnen mit Videotechnik oder konventioneller Filmaufnahmetechnik liefert bei langer Beleuchtungs- bzw. Belichtungszeit qualitative Aussagen über das globale Geschwindigkeitsfeld der Strömung in der Lichtschnittebene. Werden mit der gleichen Lichtschnittanordnung zwei kurz hintereinanderfolgende Bilder aufgenommen, kann daraus mit Hilfe der Korrelation der Einzelbilder das momentane Geschwindigkeitsfeld in der Lichtschnittebene berechnet werden (Partikel Image Velocimetrie, PIV) (Adrian 1996). Diese Doppelaufnahme ist auch mit einem gepulsten Lichtschnitt über einen Festkörperlaser möglich. 6 Im Gegensatz zur Ganzfeldmessung mittels PIV misst man mit dem Laser-Doppler-Anemometer (LDA) nur die Strömungsgeschwindigkeit an einem Punkt. Die Ortsauflösung des Verfahrens wird durch die Größe des optischen Messvolumen bestimmt, die Zeitauflösung und der Messbereich sind von Signalverarbeitung abhängig. Gemessen wird hier die Frequenz der Intensitätsmodulation des Streulichtes von Partikeln, welche sich durch den Fokus zweier sich schneidender Laserstrahlen (Messvolumen) bewegen. Mit einem üblichen Messvolumen von 1000 m x 100 m x 100 m bei einer Sendeobjektiv-Brennweite von ca. 150 mm und einem Frequenzfehler im Promill-Bereich ist das LDA-Verfahren das genaueste Geschwindigkeitsmessverfahren in strömenden Fluiden (Tropea 1996). Sind jedoch längere Sondenbrennweiten erforderlich, wie bei LDA-Fernmessungen in der Atmosphäre über Meßlängen von mehreren hundert Metern (Durst et al 1989), verschlechtert sich die räumliche Auflösung und die Größe des Messvolumens liegt im Zentimeterbereich. Mit der PIV- und LDA-Technik stehen derzeit zwei ausgereifte, hochauflösende GeschwindigkeitsMessverfahren für Konvektionsströmungen in Luft zur Verfügung. Damit sind die Voraussetzungen geschaffen, die grundlegenden theoretischen Arbeiten zur Konvektion bei hohen Rayleigh-Zahlen der siebziger und achtziger Jahre (Chandraasekhar 1961, Busse 1981, Castaign et al 1989) experimentell zu überprüfen. Auch neuere Arbeiten (Siggia 1994, Donelly et al 1998) beinhalten keine Geschwindigkeitsdaten aus LDA- und PIV Messungen. Aufgrund der Erfahrungen auf dem Gebiet der optischen Strömungsmesstechnik und der apparativen Ausstattung sehen die Antragsteller sehr gute Erfolgschancen bei der Schließung dieser Wissenslücke. Bei Messungen über eine Distanz von 3,5 m (Dimension des "Ilmenauer Fass") liegt die erreichbare räumliche Auflösung im Millimeterbereich und ist somit etwas zu gering, um kleinskalige Turbulenzstrukturen im Volumen zu untersuchen. Das an der TU Ilmenau vorhandenen 2d-LDA mit einer Brennweite von 300 mm ist für Geschwindigkeitsmessungen in Wandnähe optimal. In turbulenten Strömungsvorgängen liefern LDA-Zeitreihen an einem Meßpunkt Informationen über Schwankungsgeschwindigkeiten und Schubspannungen. Die LDA-Messtechnik wird deshalb auch zur Validierung von Turbulenzmodellen z.B. in der Grenzschichtströmung benutzt. Bei Verwendung einer Sonde mit 160 mm Brennweite (siehe 4.2. Wissenschaftliche Geräte) werden wir in der Lage sein, ein Meßvolumen aufzuspannen, welches kleiner ist das Kolmogorov-Längenmass. Im vorliegenden Projekt ist vorgesehen, mittels 2d-LDA-Messungen neue Informationen über die GrenzschichtSchubspannungen zu gewinnen. Voraussetzung dafür sind allerdings hohe LDA-Burstraten, damit eine quasi äquidistante Signalabtastung angenommen werden kann. Die hohe Genauigkeit des LDA-Verfahrens ist physikalisch bedingt nur in optisch transparenten und homogenen Medien erreichbar. Bei thermisch angetriebenen Konvektionsströmungen ändern sich die optischen Konstanten des Fluids (Brechzahl und Absorptionskoeffizient) in Abhängigkeit von der Temperatur. Bei großen Temperaturgradienten kann dieser Einfluß durch Verkürzung der optischen Weglängen und Verkleinerung des LDA-Meßvolumens minimiert werden. Die praktische Realisierbarkeit wurde durch LDA-Messungen an Luftströmungen mit großem Temperaturgradienten in einem Brennermodell dokumentiert (Wardana et al 1999). 7 Geschwindigkeitsfelder in isothermen Gasen werden traditionell auch mit Hitzdrahttechnik gemessen. In Hinblick auf später geplante Konvektionexperimente in Wasser soll diese Technik zunächst nicht angewendet werden. Problematisch erscheint auch die Anwendbarkeit der Hitzdrahtsonden in Strömungen mit großen Temperaturgradienten. 2.1.3 Temperaturfeldmessung Klassisch werden Temperaturfelder in Gasen mit Thermoelementen, Halbleitersensoren (PT 100) und Widerstandsthermometern mit Traversierungen oder Arrays gemessen. Wandtemperaturen lassen sich darüberhinaus berührungslos mit optischen Pyrometern bestimmen. 2.2 Eigene Vorarbeiten 2.2.1 Ilmenauer Fass Die relativ preisgünstige technische Realisierbarkeit des vorliegenden Vorhabens beruht auf dem Vorhandensein des mit einem Finanzvolumen von über 1 Mio DM errichteten "Ilmenauer Fasses" (Abb. 2). Der Behälter wurde im Rahmen des Forschungsverbundprojekts "WärmelangzeitSpeicherung" (BMBF, TMWFK) als Pilot -Wärmespeicher entwickelt und verwendet. Seit 1998 wird die weitere Optimierung und wissenschaftliche Auswertung zum Langzeitspeicherkonzept im Rahmen des Projektes "Solarthermie 2000", Teilprogramm 3 "Solare Nahwärme" (BMWi) fortgeführt. Die dazugehörigen Messungen am Pilotspeicher wurden im Jahr 1999 beendet und der Behälter steht nun für neue experimentelle Fragestellungen zur Verfügung. Der prinzipielle Aufbau des Pilotspeichers ist aus der Abbildung 3 ersichtlich. Er hat einen Durchmesser von ca. 7 m, die Höhe beträgt ebenfalls 7 m. In der Abbildung ist schon der geplante Umbau mit variabler Höhe und beheizter/gekühlter Boden- und Deckplatte skizziert Das DeckenKühlsystem wird dabei an einem Tragegestell höhenverstellbar aufgehängt. Die Auslegung der ringförmigen Wandsegmente und der statische Nachweis wurden Hilfe der Finite Elemente Methode erbracht. Zur Gewährleistung guter Wärmespeichereigenschaften und der Ausbildung der Temperaturschichtung im ehemaligen Trägermedium Wasser wurde die Speicherwände mit einer 30 cm starken Isolation versehen und mit Temperatursensoren bestückt. Die interessierenden Messwerte können automatisch erfaßt. In der Auswertung wird u.a. der direkte Vergleich der Ist-Werte mit den theoretischen Werten aus dem Simulationsprogramm TRNSYS (Transient System Simulation Program, University of Wisconsin) vorgenommen. Der vom FG Thermo- und Fluiddynamik konzipierte und errichtete Pilotspeicher am Standort Ilmenau, dessen Eignung über nunmehr drei Jahre nachgewiesen wurde, ist für eine Gesamtnutzungsdauer > 25 Jahre ausgelegt und bildet eine solide Grundlage für die Realisierung der Experimente „Ilmenauer Fass“. Nach gemeinsamer Einschätzung der Antragsteller ist der vorhandene Pilotspeicher als Basis für die Durchführung der beantragten Turbulenzexperimente besonders geeignet. 8 Abb.2: 300 m3 Pilotspeicher Wartungsöffnung 8000 Verstellbare Aufhängung Meßsysteme Höhe des Meßvolumens variabel von ca. 0,5 m bis 6,2 m Kühlplatte begehbar Meßmedium Luft Heizplatte Isolierschicht Abb. 3: Abmaße und geplante Einbauten für das Projekt "Ilmenauer Fass" 9 Die Antragsteller verfügen über langjährige Erfahrungen zur Temperaturmesstechnik, einschließlich der zugehörigen Sensortechnik, Datenfernübertragung und Auswertung mittels spezieller Programme. Als Anschubfinanzierung des Projektes erfolgte vorab eine Mittelbereitstellung durch das Thüringer Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kultur (TMWFK) in Höhe von 95.000 DM. Diese Mittel ermöglichen die Ergänzung der Grundausstattung des Experimentes mit modernen Strömungs- und Temperaturmesstechnik-Komponenten. 2.2.2 Parameterabschätzung In den Tabellen 1 und 2 sind für die Arbeitsmedien Luft und Wasser die in einem Rayleigh-BénardExperiment erreichbaren Parameter dargestellt. Alle Zahlen wurden für den Durchmesser D = 7.20 m des Ilmenauer Fasses berechnet. Gegenwärtig ist eine Fluidhöhe bis ca. 7.20 m realisierbar. In einer späteren Ausbauphase kann das Ilmenauer Fass durch Aufbau weiterer Ringelemente erhöht werden. Die Nusselt-Zahl von Luft wurde durch Extrapolation experimenteller Daten von Belmonte, Tilgner & Libchaber 1994 berechnet. Die Nusselt-Zahl von Wasser wurde aus Messungen von Cioni, Sommeria & Ciliberto 1997 extrapoliert. Die angegebenen Reynoldszahlen und Geschwindigkeiten wurden auf der Grundlage der "free fall velocity" v gTH ermittelt und stellen somit eine obere Schranke für die zu erwartenden Werte dar. Die erreichbaren Rayleigh-Zahlen zeigen, dass das Ilmenauer Fass erstmalig die Möglichkeit eröffnet, turbulente Rayleigh-Benard-Konvektion bei großem Aspektverhältnis und gleichzeitiger Messbarkeit der Geschwindigkeitsfelder zu realisieren. Ein Vergleich der für die Aufrechterhaltung einer Temperaturdifferenz von 20K erforderlichen Heizleistungen verdeutlicht einerseits, dass in Luft bereits mit weniger als 2kW Heizleistung Rayleigh-Zahlen von 1012 erreichbar sind. Andererseits macht er deutlich, dass langfristig nur durch Wasserexperimente mit einer Heizleistung von rund 250KW der Bereich ultra-hoher Rayleigh Zahlen von über 1015 zugänglich wird. Da der finanzielle Aufwand zur Durchführung eines Wasserexperiments um mindestens eine Größenordnung höher ist als für ein Luftexperiment, wird im vorliegenden Projekt ausschliesslich Luft als Arbeitsmedium verwendet. Die in Tabelle 1 berechneten Strömungsgeschwindigkeiten bewegen sich in einem Bereich, der durch LDA-Messtechnik gut abgedeckt wird. Jedoch sind Voruntersuchungen zur Anwendbarkeit dieser Methode auf nichtisotherme Strömungen erforderlich. H A T Ra Nu Q Re v 0.72 m 10 20 K 5.57x108 61.9 1.82 KW 2.8x104 0.67 ms-1 7.20 m 1 20 K 5.57x1011 459 1.35 kW 8.9x105 2.12 ms-1 14.40 m 0,5 20 K 4.46x1012 838 1.23 kW 2.5x106 2.98 ms-1 Tab. 1: Strömungsmechanische Parameter eines Rayleigh-Benard-Experiments mit Luft im Ilmenauer Fass. Stoffwerte für die Referenztemperatur von 40°C. 10 H A T Ra Nu Q Re v 0.72 m 10 20 K 7.39x1011 401 278 KW 5.5x105 0.28 ms-1 7.20 m 1 20 K 7.39x1014 2970 206 kW 1.78x107 0.91 ms-1 14.40 m 0,5 20 K 6.91x1015 5430 189 kW 4.84x107 1.29 ms-1 Tab. 2: Strömungsmechanische Parameter eines Rayleigh-Benard-Experiments mit Warmwasser im Ilmenauer Fass. Stoffwerte für die Referenztemperatur von 70°C. 2.2.3 Strömungs- und Temperaturmesstechnik Im Rahmen des DFG-Projektes “Anwendung von integriert-optischen Schaltelementen in der modernen Strömungsmesstechnik” (Re 1066/1-1) und im Forschungsprojekt des Thüringer Ministeriums für Wissenschaft und Kultur (TMWK) “Intergriert-optische Laser-Doppler-Anemometrie” (W6-908/7-79) wurden von den Antragstellern Möglichkeiten der Miniaturisierung von 2D-LDASystemen durch Anwendung von Wellerleiterstrukturen der integrierten Optik für die FreqenzshiftErzeugung und für ein optisches Multiplex-Verfahren erfolgreich untersucht und Labormuster dieser neuen LDA-Systeme aufgebaut und erprobt wurden (Resagk et al 1995). In einer bilateralen Forschungskooperation zwischen der TU Ilmenau und der Universität Nottingham sind mit PIV- und LDA-Technik Konvektionsströmungen in Wohngebäuden am Luft- und Wassermodell gemessen und mit numerischen Simulationen verglichen worden (Aroussi et al 1996). Somit verfügt das Fachgebiet Thermo- und Fluiddynamik über mehrjährige Erfahrungen auf dem Gebiet der optischen Strömungsmesstechnik. Die Antragsteller besitzen aus dem HBFG-Programm ein 2d-Halbleiter-LDA mit Richtungserkennung, 3d-Traversiersystem und Signalprozessorsoftware. Gegenwärtig wird im Rahmen einer studentischen Projektarbeit der Einfluss von lokalen Temperaturschwankungen auf die Auflösung und den Messfehler des LDA systematisch untersucht. Für Ganzfeldmessungen steht ein 2d-PIV-System mit Kreuzkorrelationskamera und Auswertesoftware für Messungen in Wasser zur Verfügung. Im Rahmen einer vom Land Thüringen (TMWFK) gewährten Anschubfinanzierung für das vorliegende Projekt konnte im Dezember 1999 ein leistungsstarker Impulslaser für PIV-Untersuchungen in Luft angeschafft werden. Mit Hilfe dieses Systems und mit einem weiteren, leistungsstarken Nd-YAG-Laser (50 W cw mit Q-Switch) wurden im Rahmen von Studienarbeiten Lichtschittoptiken, Partikelzugabe und Aufnahmetechniken für Strömungsvisualisierungen und PIV-Messungen bei großen Messflächen erprobt. Mit Aerosol- und Nebelgeneratoren können abhängig vom Fluid und von der Strömungsgeschwindigkeit entsprechende Partikelkonzentrationen für die PIV- und LDA-Messungen eingestellt werden. Für den Einsatz im “Ilmenauer Fass” sind Ergänzungsbaugruppen (z.B. Nebelsonde) erforderlich. Im Rahmen des TMWFK-Projektes "Solarthermische Systeme" (VakuSol) wurden umfangreiche Meßsysteme zur Temperatur- und Volumenstrommessung für solarthermische Komponenten (Kollektoren und Speicher) aufgebaut, getestet und zur Bestimmung von Energieströmen verwendet. 11 Es liegen umfangreiche Erfahrungen mit Temperaturmessungen bei Konvektionsuntersuchungen an Solarkollektoren zur Messung der Verlustwärmeströme vor. In diesem Projekt wurden auch Temperatur- und Wärmestrommessungen an porösen Isolierwerkstoffen durchgeführt und Wärmeleitfähigkeiten bestimmt. Für zukünftige Temperaturmessungen stehen für die Vorarbeiten Temperaturmeßsysteme mit Thermofühlern und Meßwiderständen zur Verfügung. Die Meßwerterfassungsysteme erfordern eine Anpassung an die Größe des Experimentes (z.B. Länge der Datenleitungen, Anzahl der Meßpunkte, Traversierung). 3. Ziele und Arbeitsprogramm 3.1 Ziele Im vorliegenden Projekt soll der an der TU Ilmenau vorhandene Warmwasserspeicher "Ilmenauer Fass" durch Einbau einer Heiz-, einer Kühlplatte sowie Strömungs- und Temperaturmesstechnik zu einem Rayleigh-Bénard-Experiment umgebaut und mit dem Arbeitsmedium Luft betrieben werden. Bei systematischer Variation von Rayleigh-Zahl und Aspektverhältnis im Bereich 3 x 108< Ra < 2 x 1012 und 1 < A < 10 sollen folgende Größen in Ilmenau gemessen und mit den Simulationen in Bayreuth, an der DLR Göttingen und im FZ Karlsruhe verglichen werden: der Wärmestrom und die daraus abgeleitete Nusselt-Zahl als Maß für den globalen Wärmetransport, das Geschwindigkeitsfeld entlang eines zweidimensionalen Lichtschnittes als Informationsquelle über die großräumige Strömungsstruktur, das lokale zeitabhängige Geschwindigkeits- und Temperaturfeld in verschiedenen Abständen von der Kühlplatte als Spiegelbild der kleinskaligen Turbulenzstruktur. Anhand der experimentellen Daten sind folgende grundlegenden Fragen zur thermischen Turbulenz zu beantworten: Welche Art kohärenter Strömungsstrukturen mit mehr oder weniger regelmäßiger Anordnungen von "plumes" und/oder Netzwerke von "sheet"-artigen Auf- und Ab-Strömungen bildet sich in turbulenter Rayleigh-Bénard-Konvektion bei großem Aspektverhältnis heraus und welchen Einfluß haben diese Strukturen auf den Wärmetransport? Welche statistischen Eigenschaften besitzen die Strömungs- und Temperaturfelder in der Nähe der Heiz- und Kühlplatten sowie in Zentrum der Konvektionsbox? Mit welcher mittleren Frequenz finden Eruptionen der thermischen Grenzschicht (plume formation) statt? Wie ist die räumliche Verteilung dieser Ereignisse bezüglich der großräumigen Zirkulation organisiert? Für die Gewinnung der experimentellen Daten kommen folgende Messmethoden zum Einsatz (siehe auch Anhang 2): Visualisierung des globalen Strömungsfeldes im Weisslicht-Lichtschnitt, Aufnahme der Partikelspuren mit CCD- und Videokamera. 12 Ganzfeld-Geschwindigkeitsmessung mit dem 2d-PIV-System, gepulster Lichtschnitt mit NdYAG-Laser (SHG), Aufnahme der Streupartikel mit Kreuzkorrelationskamera, Berechnung des 2D-Vektorplot des Geschwindigkeitsfeldes mittels PIV-Software für verschiedene Lichtschnittpositionen. Ortsaufgelöste Messung von Strömungsgeschwindigkeiten in Wandnähe (Grenzschicht) mit 2D-LDA, Bestimmung von Geschwindigkeitsprofile, Zeitreihen von Schwankungs- Geschwindigkeiten an festen Orten, Vektorplots. Gleichzeitige Messung von Strömungsgeschwindigkeit und Temperatur in der Grenzschicht mittels eines mikromechanischen Sensorsystems aus Teilprojekt 4 "Sensorentwicklung". Temperaturmessung im Volumen mit traversierten Thermoelementen und faseroptischen Sonden zur Ermittlung der zeitabhängigen Temperaturfelder. Messung der Heiz- und Kühlleistung, Berechnung des Wärmestroms. 3.2 Arbeitsprogramme 3.2.1 Ilmenau Die Durchführung der Messungen erfolgt nach folgenden Arbeitsschritten: I-1 Umbau des Warmwasserspeichers Umbau des GFK-Speichers: Dach, Stützsäule und Einbauten entfernen, Vermessung, Isolierung des Bodens, Einbau der Bodenheizung, Montage der Kühlplatte aus einzelnen Sandwichelementen im Speicher mit Stabilisierungsgerüst (siehe Abb.3), Errichtung von Speicherstützkonstruktion und Dachkonstruktion, Aufhängung der Kühlplatte, Schaffung der Infrastruktur (Meßcontainer und Meßraum, Medienversorgung, Kühlgerät) I-2 Installation und Erprobung der Strömungs- und Temperaturmesstechnik Einbau der optischen Fenster in die Behälterwand und in die Deckplatte, Aufbau der inneren Messbühne Erprobung der Höhenverstellung der oberen Kühlplatte, Test der Temperaturregelung Aufbau des Traversiersystems für Temperatur- und LDA-Sonden, Installation der Lichtquellen für den Weisslicht-Lichtschnitt, Montage des Laserlichtschnitt-Systems, Erprobung der Video- und CCD-Kameratechnik, Auswahl geeigneter Partikelarten und –Konzentrationen für LDA- und PIV-Messungen Erprobung der Messdatenerfassung I-3 Bestimmung der Nusselt-Zahlen Messung des Gesamtwärmestromes über die elektrische Heizleistung, Ermittlung der Wärmeverluste, 13 Berechnung der Nusselt-Zahlen für verschiedene Höhen (Aspektverhältnisse) und Temperaturunterschiede (Rayleigh-Zahlen), Übergabe der Nu(Ra, A) - Daten an die Projektpartner I-4 Strömungsvisualisierung, Geschwindigkeits- und Temperaturfeldmessungen bei kleinem Aspektverhältnis Optische Visualisierung von großskaligen Konvektionstrukturen mit Hilfe von WeisslichtLichtschnitt über die gesamte Querschnittsfläche parallel und senkrecht zu Kühl- und Heizplatte für verschiedene Behälterhöhen (Aspektverhältnis 1 bis 2) und Temperaturdifferenzen (10 K, 20 K, 30 K und 40 K), Aufnahme der Deckenfenster, Partikelspuren qualitative mittels Darstellung Videovon und Fotokamera Wirbelstrukturen in durch Wand- Abhängigkeit und vom Temperaturgradienten zwischen Boden- und Deckplatte mit Falschfarbentechnik, 2d Geschwindigkeitsfeldmessungen mit niedriger Ortsauflösung ( x = 10 mm, gesamter Querschnitt) mittels PIV mit Laser-Lichtschnitt in drei Ebenen parallel und in einer Ebene senkrecht zur Kühlplatte (Mitte, unterschiedliche Winkel), Temperaturprofilmessungen in axialer und radialer Richtung mit Mikrothermosensoren, Lokale Messung der zeitgemittelten Geschwindigkeitsprofile der Komponenten u und v mit hoher Ortsauflösung in der thermischen Grenzschicht (Messvolumen: 1 mm x 0.1 mm, z = 0.5 mm, Zugang über Fenster), Aufnahme von zeitgemittelten 2d Geschwindigkeitsfeldern (u, w) in Ebenen senkrecht zur Kühl- und Heizplatte (Zugang über innere Messbühne) mit 2d LDA und 3d Traversierung, Lokale Messung von Geschwindigkeitszeitreihen für zwei Komponenten an festen Orten mit Berechnung der Schwankungsgeschwindigkeiten und Frequenzspektren mit der LDASoftware, Messung des Temperaturgradienten (z) in der Wandgrenzschicht mittels traversierbarer Mikrothermoelemente in Abhängigkeit vom Abstand von der Behälterachse, gleichzeitige Messung der zeitlichen Geschwindigkeits- und Temperaturschwankungen in der thermischen Grenzschicht mit Hilfe hochauflösender kombinierter Sensoren (in Zusammenarbeit mit Teilprojekt 4 "Sensorentwicklung"), Bestimmung räumlicher Korrelationen der Geschwindigkeits- und Temperaturfluktuationen durch gleichzeitige Messung mit zwei hochauflösenden, kombinierten Sensoren (Applikation von Teilprojekt 4) an unterschiedlichen Orten in der thermischen Grenzschicht, Weitergabe von experimentellen Temperaturfelddaten, von Nusselt-Zahlen und von Grenzschichtgrößen an die Bayreuther Wissenschaftler (Teilprojekt 2 "Simulation") zur Datenaufbereitung und Erstellung der Datenbasis. I-5 Geschwindigkeits- und Temperaturfeldmessungen bei großem Aspektverhältnis 2d Ganzfeldmessung der Geschwindigkeitskomponenten in 10 Ebenen parallel (u, v) und senkrecht zur Kühlplatte bzw. Heizplatte (u, w) mit dem PIV-Verfahren (Zugang über Fenster), 14 Variation des Aspektverhältnisses (3 bis 10) durch Änderung der Behälterhöhe, Messungen bei unterschiedlichen Temperaturdifferenzen (10 K, 20 K, 30 K, und 40 K), Messung des Temperaturfeldes im gesamten Volumen mit Thermoelementen, Vergleich der Messwerte des hochauflösenden Geschwindigkeits- und Temperatursensors in der thermischen Grenzschicht mit Ergebnissen der LDA- und MikrothermoelementMessungen (Teilprojekt 4 „Sensorentwicklung“), Vorschläge zur konstruktiven Verbesserung, Vorbereitung des Einsatzes in Wasser. 3.2.2 Bayreuth B-1 Auswertung Im Vergleich zu früheren Experimenten wie denen in Princeton wird die Ortsauflösung der Messungen kleiner als die dissipative Längenskala und die Zeitserien länger sein (106 Messwerte). Mit Hilfe der direkt gemessenen Geschwindigkeiten sollen Fragen zur Dynamik der thermischen Grenzschicht entschieden werden können, die vorher nur unter Annahme einiger Hypothesen zu beantworten waren. Detaillierte Analyse der Dynamik auch im Inneren der Konvektionsbox. Wie breit ist die vGrenzschicht? Werden plumes beim Aufsteigen dicker? Verhält sich die Temperatur wie ein passiver Skalar? Analyse von längeren Zeitserien mit verbesserten Computertechnologien (schnelle FourierTransformation bis zu 106 Messwerten) zur Bestimmung von Größen, deren Auswertung zuvor unmöglich oder langwierig war. Dazu gehören die Bestimmung bedingter Wahrscheinlichkeiten sowie Wavelet-Analysen der Zeitserien. Einsatz fortgeschrittener Bildverarbeitung zur Bestimmung der mittleren Größe der Wirbel und der Korrelationslänge im Geschwindigkeitsfeld. B-2 Simulation Zum besseren Verständnis der dynamischen Prozesse sollen die Experimente mit direkten numerischen Simulationen verglichen werden. Spektrale Verfahren sind für diesen Zweck besonders geeignet (Werne et al 1995, Christie et al 1993, Kerr 1993) und werden in Bayreuth seit längerer Zeit verwendet. Simulationen der vollen dreidimensionalen Geschwindigkeits- und Temperaturfelder im Vergleich zu den punktweise Messungen und 2d Schnitten aus den Experimenten, Ermittlung von numerische Größen, die experimentell nur geschätzt werden können, wie etwa die Dissipationsrate. Diese Größe spielt eine zentrale Rolle in einer kürzlich vorgeschlagenen Theorie (Grossmann & Lohse 2000), die numerisch getestet werden könnte. Simulation kohärenter Strukturen mit 3d Visualisierung der numerischen Daten und der 2d Bilder aus den Experimenten, Untersuchung der großräumigen Rollenstruktur als Funktion der Rayleigh-Zahl und des Aspektverhältnisses. 15 Literatur: Adrian, R., J. 1996, Bibliography of particle velocimetry using imaging methods: 1917-1995 TAM Report, TSI Inc., St. Paul, MI Aroussi, A., A. Khamis, C. Resagk 1996, Proc. 41th Int. Scient. Coll. TU Ilmenau, Vol. 1, 688-94 Belmonte, A.; Tilgner, A.; Libchaber, A. 1993, Phys. Rev. Lett., vol. 70, 4067 Belmonte, A.; Tilgner, A.; Libchaber, A. 1994, Phys. Rev. E, vol. 50 269 Busse, F. H. 1981, Transition to turbulence in Rayleigh-Bénard-Convection, In: Topics in Applied Physics, Hrsg: H. L. Swinney, J. P. Gollub, Springer Verlag. Castaign B., G. Gunaratne, F. Heslot, L. Kadanoff, A. Libchaber, S. Thomae, X. Wu, S. Zaleski, G. Zanetti 1989, J. Fluid Mech., vol. 204, 1-30. Chandrasekhar, S. 1961, Hydrodynamic and Hydromagnetic Stability, Clarendon Press, Oxford Chavanne, X.; Chillá, F.; Castaing, B.; Hebral, B.; Chabaud, B.; Chaussy, I., 1997, Phys. Rev. Lett., vol. 79, 3648 – 3651 Cioni, S., Sommeria, J., Ciliberto, S., 1997, J. Fluid Mech., vol. 335, 111 Christie S.L. , J.A. Domaradski, 1993, Phys. Fluids A 5, 412 Deardorff, J.W., Willis, G.E., 1967, J. Fluid Mech., vol. 28, 675-704 Donnelly, R. I., Sreenivasan, K. R. 1998, Flow at ultra-high Reynolds and Rayleigh number. SpringerVerlag New York Donnelly, Sreenivasan 1999, Persönliche Mitteilung Durst, F., J. Volkein 1989, Wind Engineering, Vol. 13, No. 2, 99 Fitzjarrald, D., E., 1976, J. Fluid Mech., vol. 73, 693-719 Grossmann S., D. Lohse, 2000, A unifying theory, J. Fluid Mech., in press Kerr R.M., 1993, J. Fluid Mech., vol. 310, 139 Malkus, W.V.R., 1954, Proc. Roy. Soc. London A 225, 185-195 16 Resagk, C., U. Schellenberger, J. Grabow, C. Tropea, M. Stieglmeier 1995, Meas. Sci. Technol., vol. 6, 674-81 Shen, Y.; Xia, K. Q.; Tong, P. 1995, Phys. Rev. Lett., vol. 75, 437 Siggia, E. D., Annu. Rev. Fluid Mech., vo. 26, 137-168 Silveston, P.L., 1958, Forsch. Ing. Wes. 24, 29-32 Tilgner, A.; Belmonte, A.; Libchaber, A. 1993, Phys. Rev. E, vol. 47, R 2253 Tropea, C. 1996, Meas. Sci. Technol., vol. 6, 605-619 Wardana, I., N., G., T. Kurihara, M. Mizomoto 1999, Experiments in Fluids, vol. 27, 137-144 Werne J., E.E. DeLuca, R. Rosner, F. Cattaneo 1991, Phys. Rev. Lett., vol. 67, 3519 Xin, Y. B., Xia, K. Q., Tong, P. 1995, Phys. Rev. Lett., vol. 75, 437 3.3 Untersuchungen am Menschen entfällt 3.4 Tierversuche entfällt 3.5 Gentechnologische Experimente entfällt 4. Beantragte Mittel Zusätzlich zu den folgenden Mittel wird eine Ergänzungsfinanzierung beim Thüringer Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kultur (TMWFK) beantragt (siehe 5.6 und Anhang 4). 4.1 Personalbedarf Die vorgeschlagenen experimentellen Untersuchungen sollen der Inhalt einer von den Herren A. Thess und C. Resagk betreuten Doktorarbeit oder einer Post-doc-Stelle an der Technischen Universität Ilmenau werden. Dafür wird eine Stelle BAT-O II a für 3 Jahre beantragt. Für den Umbau des vorhandenen Warmwasserspeichers zu einem Rayleigh-Bénard-Experiment, für die Installation 17 und Erprobung der Meßtechnik, für die Konstruktion der Messplattformen sowie für die technische Betreuung der Betriebs- und Versorgungstechnik während der Experimente wird für die ersten zwei Jahre des Projektes die Stelle eines technischen Mitarbeiters beantragt (BAT-O IV b). Die Gruppe in Bayreuth wird sich sowohl mit Datenauswertung als auch numerischen Simulationen befassen. Die vorgeschlagenen Forschungsarbeiten sollen der Inhalt einer von den Herren F. H. Busse und A. Tilgner betreuten Doktorarbeit an der Universität Bayreuth werden. Dafür wird eine Stelle BAT IIa/2 für 3 Jahre beantragt. 1 Wissenschaftlicher Mitarbeiter BAT-O II a für 3 Jahre (TU Ilmenau) 1 Wissenschaftlicher Mitarbeiter BAT II a / 2 für 3 Jahre (Uni Bayreuth) 1 Technischer Mitarbeiter BAT-O IV a für 2 Jahre (TU Ilmenau) Studentische und wissenschaftliche Hilfskräfte für 3 Jahre (TU Ilmenau) (im 1. u. 2. Jahr 40 h / Monat, im 3. Jahr 80 h / Monat, insgesamt 1920 h) 4.2 Wissenschaftliche Geräte (nur Ilmenau) LDA-Sondenobjektive 160 mm und 1000mm Brennweite 4.000 DM Nebelsonde NS 2 12.000 DM Lichtschnitt-Effektstrahler 4.000 DM Videokamera, Monitor mit Videorecorder 4.000 DM 3D Traversiersystem 8.000 DM Prozessmessrechner 6.000 DM MAC-MUX Analogmultiplexer 5.000 Summe der Anschaffungskosten 4.2 unter 20.000 DM 43.000 DM DM Wissenschaftliche Geräte über 100.000 DM: Die hohen Kosten des Kühlsystem rühren einmal von der Größe, der Oberflächengüte und von der selbsttragenden Konstruktion her, andererseits verlangt die geforderte Genauigkeit der Temperaturverteilung ein aufwendiges Kühlregime (siehe Anhang 3). Kühlsystem 207.000 DM Angebot der Fa. ELKOM-Elektroheizplattentechnik GmbH Bad Oeynhausen (siehe Anhang 3) 4.3 Verbrauchsmaterial Ilmenau: Partikelöle und Feststoffpartikel 1.000 DM Gasentladungs- und Halogenlampen 1.000 DM optische Bauelemente und Lichtwellenleiter 2.500 DM Thermosensoren 5.000 DM 18 elektrische Meßkabel 500 DM mechanische Kleinteile 500 DM mechanische Bauelemente und Konstruktionsmaterial 4.000 DM Schläuche mit Kupplungen 500 DM Treibgas für Partikelgeneratoren 500 DM Isoliermaterial 500 DM Geschäftsbedarf 2.000 DM Bayreuth: Computerverbrauchsmaterial 3.000 DM Summe 4.3 21.000 DM 4.4 Reisen Ilmenau: Reisen zum Kooperationspartner Uni Bayreuth und zu internationalen Fachtagungen 7.000 DM Bayreuth: Reisen zum Kooperationspartner TU Ilmenau und für den Besuch einer Tagung in Deutschland oder in Europa (z.B. European Turbulence Conference) 4.5 7.000 DM Sonstige Kosten entfällt 5. Voraussetzungen für die Durchführung des Vorhabens 5.1 Zusammensetzung der Arbeitsgruppe Ilmenau (Haushaltsstellen): Prof. Dr. rer. nat. habil. André Thess, Universitätsprofessor, Leiter des Fachgebietes Thermo- und Fluiddynamik an der Fakultät für Maschinenbau. Dr. rer. nat. Christian Resagk, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Fachgebiet Thermo- und Fluiddynamik, Leiter der Arbeitsgruppe Experimentelle Strömungsmechanik Dr. rer. nat. Ulrich Schellenberger, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Fachgebiet Thermo- und Fluiddynamik, Leiter der Arbeitsgruppe Wärme- und Stoffaustausch 19 1 Techniker Ilmenau (Drittmittelstellen): Dipl.-Ing. Jürgen Bühl, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Fachgebiet Thermo- und Fluiddynamik, Leiter der Arbeitsgruppe Regenerative Energien und Umweltmeßtechnik Dipl.-Ing. Andreas Nilius, wissenschaftlicher Mitarbeiter in Fachgebiet Thermo- und Fluiddynamik Bayreuth (Haushaltsstellen): Prof. Dr. rer. nat. habil. F. H. Busse, Universitätsprofessor, Leiter des Physikalischen Instituts und Inhaber des Lehrstuhls für Theoretische Physik V an der Universität Bayreuth Dr. rer. nat. habil. Andreas Tilgner, wissenschaftlicher Assistent am Physikalischen Institut der Universität Bayreuth 5.2 Zusammenarbeit mit anderen Wissenschaftlern Das Forschungsprojekt ist Teil der interdisziplinären Initiative Turbulenzforschung zwischen Ingenieurund Naturwissenschaften. Neben der Zusammenarbeit der Bayreuther und Ilmenauer Wissenschaftler im Rahmen dieses Projektes soll eine Weitergabe von experimentellen Daten an die Bearbeiter der Projektes "Simulation" (DLR Göttingen, Uni Bayreuth), und "Methodenentwicklung" (Uni Oldenburg, FZ Karlsruhe), erfolgen. Darüber hinaus werden in vorliegenden Projekt die im Projekt "Sensorentwicklung" (Uni Oldenburg) entwickelten hochauflösenden Geschwindigkeits- und Temperatursensoren im "Ilmenauer Fass" getestet. 5.3 Auslandsbezug entfällt 5.4 Apparative Nutzung Folgende am Ort vorhandene größeren Geräte stehen für das Projekt zur Verfügung: ehemaliger GFK-Warmwasserspeicher „Ilmenauer Fass“, 2d LDA-System (POLYTEC) 3d Traversiersystem (ISEL) 2d PIV-System (ILA) Partikelgenerator (PALAS) Mischgasionenlaser (ZEISS) 20 5.5 Laufende Mittel für Sachausgaben Die Finanzierung der laufenden Sachausgaben wird durch Haushaltsmittel abgesichert. 5.6 Sonstige Voraussetzungen Das Thüringer Ministerium für Wissenschaft , Forschung und Kultur (TMWFK) ist im Falle einer Bewilligung des vorliegenden Projektes durch die DFG bereit, die Schaffung der für das Experiment notwendigen Infrastruktur zu finanzieren. Dazu gehören auch die Positionen Speicherumbau komplett, Heizplatte, Tragekonstruktion und Medienversorgung. Der Gesamtfinanzierungsplan für das Vorhaben ist im Anhang 4 angefügt. Das TMWFK bittet die DFG um eine kurze gutachterliche Stellungnahme zur Notwendigkeit dieser Mittel. 6. Wirtschaftliche Verwertung entfällt 7. Erklärungen Ein Antrag auf Finanzierung dieses Vorhabens wurde bei keiner anderen stelle eingereicht. Wenn wir einen solchen Antrag stellen, werden wir die Deutsche Forschungsgemeinschaft unverzüglich benachrichtigen. 8. Unterschriften (Prof. Dr. rer. nat. habil. A. Thess) (Prof. Dr. rer. nat. habil. F. H. Busse) (Dr. rer. nat. C. Resagk) (Dr. rer. nat. A. Tilgner) Anlagen: Anhang 1: Lebensläufe und Publikationslisten der Antragsteller Anhang 2: Schematische Darstellung der Messprinzipien Anhang 3: Präzisionskühlsystem, Beschreibung und Lieferangebot Anhang 4: Finanzierungsplan für das Projekt 21
