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Die vorliegende zweiteilige Arbeit beschäftigt sich mit verschiedenen Aspekten der Rayleigh-Benard Konvektion (RBK) in geschlossenen zylindrischen und rechteckigen Zellen. Im ersten Teil wird ein theoretisches Modell für eine laminare Grenzschichtströmung entwickelt, in dem sowohl der Auftrieb und als auch der longitudinale Druckgradient erstmals gemeinsam berücksichtigt werden. Es basiert auf der klassischen Theorie von L. Prandtl. Dieses Modell soll eine bessere Übereinstimmung mit Daten aus dreidimensionalen, direkten numerischen Simulationen (DNS) von Konvektionsströmungen in einer zylindrischen Zelle mit zwei unterschiedlichen Prandtlzahlen aufweisen als bereits bestehende Modelle. Für eine niedrige Prandtlzahl konnte eine Verbesserung erreicht werden. Mit Einbeziehung des Auftriebs für höhere Prandtlzahlen ergeben sich signifikante Unterschiede. Eine mögliche Erklärung anhand von kohärenten Strukturen wird vorgestellt. Der zweite Teil dieser Arbeit bezieht sich auf DNS von turbulenten Konvektionsströmungen in einer geschlossenen, rechteckigen Zelle mit großem Aspektverhältnis. Bisher wurden die meisten numerischen Untersuchungen der RBK in geschlossenen Zylindern oder zwischen zwei horizontalen Platten ohne Seitenwände gemacht. Die Seitenwände beschränken die Nutzung effizienter numerischer Methoden, welche bei inkompressiblen Konvektionsströmungen angewandt werden. Eine hohe Performance der numerischen Methode ist besonders für RBK mit großem Aspektverhältnis von Vorteil. In der vorliegenden Arbeit wurde deshalb eine numerische Methode für die Lösung elliptischer partieller Differentialgleichungen in einer rechteckigen Zelle entwickelt, die auf Mehrgitterlösern aus einem vorhandenen Programmpaket basiert. Diese numerische Methode ist in ein bestehendes Programm für RBK integriert worden. Der so erweiterte numerische Code ermöglicht DNS von RBK mit großem Aspektverhältnis. Eine Fragestellung zur Ergodizität von turbulenter RBK wird hierbei näher untersucht. Dazu werden Daten genutzt, welche mit dem neuen Code aus DNS mit großem Aspektverhältnis in rechteckigen Zellen erhalten wurden. Die Ergodenhypothese besagt, dass das Zeitmittel der hydrodynamischen Felder mit deren Ensemble-Mittelwert übereinstimmt. Für turbulente Strömungen wurde die Ergodenhypothese bislang nicht bewiesen. Das Ziel der Untersuchungen ist es, Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen Zeitmittel und Ensemblemittel zu finden. Es stellt sich heraus, dass bei einer Zeitmittelung über ein langes Zeitfenster große, kohärente Strukturen der Strömung bestehen bleiben. Bei Ensemble-Mittelung werden diese dagegen zerstört. Dennoch stimmen viele makroskopische Parameter und Momente zweiter Ordnung einiger Größen bei den zwei unterschiedlichen Arten der Mittelung überein. Die Analyse der turbulenten Viskosität und der turbulenten thermischen Diffusivität zeigt dagegen einige Unterschiede und erfordert weitere Untersuchungen.

Transparent heating plates, consisting of glass coated with a transparent conductive metal oxide, are applied in large aspect ratio turbulent Rayleigh-Bénard convection (RBC) to investigate the large-scale patterns of velocity fields with optical flow measurement techniques across the whole horizontal cross section. The square convection cell with an aspect ratio [Gamma] = L/h = 10 was tested inside the scaled convective airflow laboratory experiment (SCALEX) facility which enables experiments with gases as working fluids for pressures of up to 10 bar to achieve very high Rayleigh numbers Ra. For the current study, Ra = 2 x 10^4 was applied. The velocity fields are measured with 2D3C particle image velocimetry (PIV). The possibility of reliable PIV measurements with reproducible homogenous temperature boundary conditions was demonstrated in the SCALEX facility. The seeding of the tracer particles, their illumination and data evaluation are addressed in detail. The final comparison of experimental data and numerical simulations shows a good agreement for the probability density functions of the horizontal velocity components. Deviations for the vertical out-of-plane velocity component and their dependence on the thickness of the laser sheet are discussed in detail and quantified by measurements with light sheets of different thickness.