Nichtlineare Dynamik im rotierenden konzentrischen Zylinderspalt unter Einfluss von thermischer Konvektion
Final Report Abstract
Geheizte rotierende Flüssigkeiten bilden als physikalisches Phänomen die Grundlage in vielen technischen Anwendungen der Verfahrenstechnik und im Maschinenbau, z.B. bei Anwendungen aus dem Bereich von Wärmetauschern, Rubrem, um weit verfahrenstechnische Reaktoren, der Kühlung von Turbinenmotoren oder Wellen von Elektromotoren. In dem Forschungsprojekt wird der Einfluss eines radialen Temperaturgradienten auf die Strukturbildung der Strömung im Spalt zwischen zwei relativ zueinander rotierenden koaxialen Zylindern (Taylor-Couette-System) experimentell untersucht. Es handelt sich um das thermische Taylor-Couette-System, in dem der innere Zylinder beheizt und der äußere gekühlt wird. Dabei interessiert vor allem die durch thermische Konvektion veränderte Dynamik gegenüber der isothermen Strömung und die damit verbundenen neuen Strömungsphänomene. Das Ziel des Projektes ist eine experimentelle Analyse der nichtlinearen Dynamik der auftretenden Transitionen (Bifurkationen) bei Variation der Prozessparameter. Neben der Abhängigkeit der Strömung vom angelegten Temperaturgradienten zwischen Innen- und Außenzylinder und der Rotation des inneren Zylinders wird zusätzlich der Einfluss des Aspektverhältnisses der Zylinder sowie der Endgeometrie der Zylinder auf die Strömung analysiert. Durchgeführte Untersuchungen. • Untersuchung der Strukturen im stationären Bereich ohne Rotation unter Einfluss eines konstanten radialen Temperaturgradienten. Bestimmen der kritischen Grashof-Zahl beim Übergang von der einzelligen Grundströmung zur stationären Wirbelbildung in Abhängigkeit bei unterschiedlichen Aspektverhältnissen. • Bestimmung einer kritischen Grashof-Zahl für die Bildung einer ersten instationären Lösung ohne Rotation. • Charakterisierung von Strömungszuständen bei Rotation des Innenzylinders und konstantem radialen Temperaturgradienten sowie konstantem Aspektverhältnis. • Bestimmen der Zustandsgrenzen. Aufzeigen einer möglichen Abhängigkeit der kritischen Reynoldszahlen von der Grashof-Zahl. • Identifizieren möglicher Abhängigkeiten zwischen dem Temperaturfeld des Fluids und des Geschwindigkeilprofils bei Rotation des Innenzylinders. Systematisierung der entstehenden Strukturen. • Untersuchung des Einflusses der Endgeometrie auf die Strukturen bei Rotation des Innenzylinders und konstantem radialen Temperaturgradienten sowie konstantem Aspektverhältnis und hieraus resultierendem Symmetriebruch. Die vollständig dokumentierten Untersuchungen sind in der Dissertation von Dipl.-Phys. Tim Deters enthalten, die im Herbst 2008 an der BTU Cottbus eingereicht wird.
Publications
- Deters, T. & Egbers, C, 2005 The Taylor-Couette system with radial temperature gradient, J. Physics: Conference Series 14, 138-142
