Zusammenfassung

Die Entwicklung von erweiterten Turbulenzmodellen zur Berechnung von turbulenten Strömungen mit Auftriebseinfluß erfordert zur Validierung experimentelle Daten. In dieser Arbeit wird als Beispiel für eine typische Mischkonvektion der turbulente, achsensymmetrische Nachlauf über einer vertikalen, beheizten Kugel experimentell untersucht. Nach einer Beschreibung der zeitgemittelten Grundgleichungen für turbulente Strömungen werden das k-e -Turbulenzmodell und eine Erweiterung dieses Modells zur Berechnung von Auftriebsströmungen, das sogenannte algebraische Spannungs-/ Flußmodell beschrieben. Die wichtigsten für die Turbulenzmodellierung experimentell zu ermittelnden turbulenten Korrelationen werden identifiziert. Für diese Korrelationen existieren bei Auftriebseinfluß zwei verschiedene Produktionsmechanismen. Anhand dieser Produktionsmechanismen werden in der Folge signifikante Unterschiede zwischen den radialen Profilen der Strömungsgrößen für Zwangskonvektion und Mischkonvektion erläutert. Durch Einführung von Form- und Amplitudenfunktionen werden sodann die Entwicklung der charakteristischen Profilparameter aller gemessenen Hauptströmungsgrößen und turbulenten Korrelationen mit wachsendem Abstand von der Kugel quantitativ erfaßt. Nach Zerlegung der Radialprofile in einen Nachlauf- und einen Auftriebsanteil kann die Entwicklung aller auftretenden Profilparameter mit Potenzfunktionen in moderaten Abständen von der Kugel beschrieben werden.

Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen des Forschungsvorhabens "Thermo- und fluiddynamische Übertragbarkeit Wasser/Natrium" erstellt. Am Schluß der Arbeit wird gezeigt, daß eine direkte Übertragung der Ergebnisse dieser Arbeit von der Wasserströmung auf eine geometrisch ähnliche Natriumströmung nicht möglich ist.

Experimental investigation of the turbulent wake above a heated sphere in vertical mean flow

Abstract

Experimental data are needed for the validation of advanced turbulence models in turbulent buoyant flows. In this work, the turbulent, axisymmetric wake above a heated sphere is investigated experimentally. After discussing the time-averaged basic equations for turbulent flow, the k-e turbulence model and the algebraic stress/flux model are described. The most important turbulence correlations are identified which need to be determined in the experiment to form a database for turbulence modelling. In the presence of buoyancy there are two different mechanisms of production for these correlations. Based on the production terms the differences between the radial flow profiles for forced and mixed convection are explained. By introducing form and amplitude functions we find quantitative relations for the development of all measured profiles of mean velocities, mean temperature and second order correlations downstream of the sphere. The splitting of radial profiles into wake and plume contribution allows to describe the development of all profile parameters by power laws based on the distance to the sphere.

This work was performed within the research project "Thermo- and fluiddynamic transferability for water/sodium flow". It is shown that a direct transfer of the experimental results for water flow to a geometrically similar sodium flow is not possible in the given parameter range.