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Bailon-Cuba, Jorge; Emran, Mohammad; Schumacher, Jörg
Aspect ratio dependence of heat transfer and large-scale flow in turbulent convection. - In: Journal of fluid mechanics, ISSN 1469-7645, Bd. 655 (2010), S. 152-173

http://dx.doi.org/10.1017/S0022112010000820
Emran, Mohammad S.; Schumacher, Jörg
Lagrangian tracer dynamics in a closed cylindrical turbulent convection cell. - In: Physical review. Statistical, nonlinear, and soft matter physics / American Physical Society. - College Park, Md. : APS, January 1993-December 2015 , ISSN: 1550-2376 , ZDB-ID: 1472725-0, ISSN 1550-2376, Bd. 82 (2010), 1, S. 016303, insges. 9 S.

http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevE.82.016303
Boeck, Thomas; Krasnov, Dmitry; Schumacher, Jörg
Statistics of velocity gradients in wall-bounded shear flow turbulence. - In: Physica, ISSN 1872-8022, Bd. 239 (2010), 14, S. 1258-1263

https://doi.org/10.1016/j.physd.2009.10.004
Lee, Jonghoon; Dünweg, Burkhard; Schumacher, Jörg
Multiscale modelling strategy using the lattice Boltzmann method for polymer dynamics in a turbulent flow. - In: Computers and mathematics with applications, ISSN 1873-7668, Bd. 59 (2010), 7, S. 2374-2379

http://dx.doi.org/10.1016/j.camwa.2009.08.053
Schumacher, Jörg; Pauluis, Olivier
Buoyancy statistics in moist turbulent Rayleigh-Bénard convection. - In: Journal of fluid mechanics, ISSN 1469-7645, Bd. 648 (2010), S. 509-519

http://dx.doi.org/10.1017/S0022112010000030
Sreenivasan, Katepalli R.; Schumacher, Jörg;
Lagrangian views on turbulent mixing of passive scalars. - In: Philosophical transactions of the Royal Society, ISSN 1471-2962, Bd. 368 (2010), 1916, S. 1561-1577

https://doi.org/10.1098/rsta.2009.0140
Schumacher, Jörg; Eckhardt, Bruno; Doering, Charles R.
Extreme vorticity growth in Navier-Stokes turbulence. - In: Physics letters, ISSN 1873-2429, Bd. 374 (2010), 6, S. 861-865

https://doi.org/10.1016/j.physleta.2009.11.078
Pauluis, Olivier; Schumacher, Jörg
Idealized moist Rayleigh-Benard convection with piecewise linear equation of state. - In: Communications in mathematical sciences, ISSN 1539-6746, Bd. 8 (2010), 1, S. 295-319

Emran, Mohammad Shah;
Small-scale statistics in turbulent Rayleigh-Benard convection, 2009. - Online-Ressource (PDF-Datei: 100 S., 7791 KB) Ilmenau : Techn. Univ., Diss., 2009

Anhand direkter numerischer Simulationen (DNS) werden detaillierte Untersuchungen in turbulenter Rayleigh-Bénard Konvektion in einer zylindrischen Zelle mit isothermen oberen und unteren Platten und adiabatischen Seitenwänden durchgeführt. Die Schwerpunkte der Untersuchungen sind die Statistiken der Temperatur T, ihrer Fluktuationen Theta, und ihrer Gradienten; die Statistik der thermischen Dissipationsrate Epsilon T und ihre Skalierung mit der Rayleigh-Zahl Ra; die Abhängigkeit des Wärmetransports vom Seitenverhältnis der Zelle γ und damit zusammenhängende Änderungen in der großskaligen Zirkulation (GSZ) sowie die Lagrangesche Teilchendynamik in Konvektion. Die Simulationsparameter sind Ra = 10 7 - 10 9, γ = 0.5 - 12 und die Prandtl-Zahl Pr = 0.7. Die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen (WDF) von T und Theta weichen in allen Regionen der Zelle vom Gaußschen Fall ab. Anhand der Schiefe von ð Z Theta konnte die Rückkehr der kleinskaligen Turbulenz zur lokalen Isotropie mit zunehmender Ra im Innern der Zelle festgestellt werden. Ähnlich wie beim skalaren Mischen, weicht die WDF der thermischen Dissipationsrate der Temperaturfluktuationen, Epsilon Theta von der Log-Normalform ab. Die WDFs sind stets gestreckte exponentielle Verteilungen, deren Schweife mit wachsender Ra auf Grund zunehmender kleinskaliger Intermittenz weiter werden. Der Grad der Intermittenz ist stärker sowohl in der thermischen Grenzschicht (TGS) als auch im Volumen. Er ist stets stärker im Seitenwandbereich als im Innern der Zelle. Darüber hinaus liefert Epsilon Theta nicht nur im Volumen den dominanten Beitrag zur Gesamtdissipation, sondern trägt auch in der TGS signifikant bei. Das Potenzgesetz <Epsilon T> ˜ Ra Zeta ergibt immer einen negativen Exponenten Zeta, sowohl im Volumen als auch in von Plumes beherrschten Gebieten und im turbulenten Hintergrund. Das steht im Gegensatz zur Skalentheorie des Wärmetransports, stimmt aber gut mit Experimenten überein. Die Nusselt-Zahl, Nu, folgt dem Gesetz Nu = A(γ)×Ra ß (γ) mit einer Potenzgesetz-Abhängigkeit der Parameter A und β. Das Minimum der Kurve Nu(γ) liegt genau dort wo die GSZ einen Übergang von einer großen Rolle zu zwei hat. Nu(γ) variiert zwischen 3%-11% und wird geometrieunabhängig für γ≥ 8. Die Muster im vollen turbulenten Regime haben Ähnlichkeit mit Strukturen im schwach nichtlinearen Regime. Fünfeckige bzw. sechseckige im Rollen werden beobachtet, wenn Gamma ≥ 8. Die Lagrangesche Teilchendispersion in Konvektion zeigt einen Übergang vom ballistischen Regime zum Richardson-Regime, jedoch kein Taylor-Regime auf Grund die Endlichkeit der Konvektionszelle. Die Existenz des Richardsonregimes hängt sensitiv vom Anfangsabstand der Teilchen im Paar ab, ähnlich wie in homogen isotroper Turbulenz. Unser Interpolationsschema gibt die Nusseltzahlen im Lagrangeschen Bezugssystem richtig wieder. Die Statisitik der Komponenten des Beschleunigungsvektors ist sehr intermittent ähnlich zu isotroper Turbulenz. Alle drei Verteilungen fallen im Gegensatz zur Konvektion in einer unendlich ausgedehnten Strömgungsschicht zusammen.



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Kaczorowski, Matthias;
Untersuchung turbulenter thermischer Konvektion in kartesischen Geometrien mittels DNS und LES, 2009. - Online-Ressource (PDF-Datei: 167 S., 15,0 MB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2009
Parallel als Druckausg. erschienen

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung der thermischen Konvektion hinsichtlich der Rayleigh-Abhängigkeit charakteristischer Bereiche des Strömungsfeldes wie den Grenzschichten, den thermischen Plumes und dem Kernvolumen mithilfe von DNS und LES. Die Analyse der Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (PDF) der thermischen Dissipationsraten zeigt drei markante Bereiche, die dem turbulenten Hintergrund (Bulk), den Plumes / Mischungsschichten und der konduktiven Unterschicht zugeordnet werden können. Mit steigender Rayleigh-Zahl (Ra) wird die Dynamik des Kernvolumens zunehmend von den Grenzschichten entkoppelt, was sich u.a. in einer schwindenden Korrelation der turbulenten Fluktuationen von Temperatur und Geschwindigkeit niederschlägt. Damit wird das von Castaing et al. [J. Fluid Mech., 204, 1989] skizzierte Verhalten weicher und harter Turbulenz bestätigt. - Es wird außerdem gezeigt, dass die thermische Dissipation in der konduktiven Unterschicht zunehmend von den turbulenten Fluktuationen bestimmt wird und somit eine von den Plumes/Mischungsschichten grundverschiedene Dynamik aufweist. Es wird daher vorgeschlagen, den Ansatz von Grossmann & Lohse [Phys. Fluids, 16(12), 2004] zur Aufteilung der thermischen Dissipationsraten so zu erweitern, dass diesem Verhalten Rechnung getragen wird.Der Vergleich dreier unterschiedlicher Geometrien (periodische, quaderförmige und kubische Zelle) ergibt, dass die Strömungsfelder bei geringen Rayleigh-Zahlen signifikante Unterschiede aufweisen, sich mit steigender Rayleigh-Zahl aber einander annähern, was sich sowohl in den Beiträgen der charakteristischen Bestandteile des Strömungsfeldes zur Wärmeübertragung als auch in der Skalierung der Nusselt-Rayleigh-Beziehung widerspiegelt. Abschließend wird die turbulente Rayleigh-Benard-Konvektion (Ra = 3,5 mal 10 5) mit der thermischen Mischkonvektion (Ar = 1) verglichen. Hieraus folgt, dass sich die Strukturbildung bei der Mischkonvektion signifikant ändert. Die Plumes sind bei gleicher Rayleigh-Zahl kleiner und zahlreicher. Zudem wird die Position der Ablösung des Zuluftstrahls stark von der Wechselwirkung mit den Plumes beeinflusst und der konvektive Wärmestrom weist im Auslass eine Oszillation auf. Diese Beobachtung ist in qualitativer Übereinstimmung mit experimentellen Ergebnissen. Ein Vergleich der thermischen Dissipationsraten von Rayleigh-Benard- und Mischkonvektion zeigt, dass sich der Einfluss des Zuluftstrahls vorwiegend auf die groß-skaligen Strukturen, nicht jedoch auf die klein-skaligen Mischungsvorgänge auswirkt.



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