Experimentelle Fluid Dynamik
Die Validierung komplexer CFD-Modelle (Computational Fluid Dynamics), wie des Fire Dynamics Simulator (FDS), ist eine wichtige Aufgabe in der Brandschutzforschung.
Für die Modellentwicklung, -verbesserung und -validierung werden experimentelle Daten benötigt. Die experimentellen Daten bzw. der Versuchsaufbau müssen die folgenden Anforderungen erfüllen:
- reproduzierbare und gut bekannte experimentelle Randbedingungen,
- Übertragbarkeit der Randbedingungen auf die CFD-Modelle,
- nicht-invasive Messungen innerhalb des Messbereichs und
- detaillierte räumliche und zeitliche Auflösung.
Für die nicht-invasive Messung der Strömung eignen sich optische Messverfahren wie die Particle Image Velocimetry (PIV) oder die Laser Doppler Velocimetry (LDV). Beide Verfahren beruhen auf einer indirekten Messung der Strömung mit Hilfe von Partikeln, die in die Strömung eingebracht werden. PIV ist eine Feldmessung, während LDV eine Punktmessung ist.
Thermisch angetriebene Turbulenzfahnen sind bei Naturbränden von grundlegender Bedeutung. Im Folgenden wird ein Versuchsaufbau zur Messung der Heißgasfahne über einem elektrisch beheizten Kupferblock gezeigt. Hier geht es darum, die Strömung zu untersuchen, ohne die zusätzliche Komplexität durch Verbrennung oder Pyrolyse.
Die entsprechenden PIV-Messungen ermöglichen es, die turbulente Strömung im Detail zu erfassen. Die folgende Abbildung zeigt das zeitlich gemittelte Geschwindigkeitsprofil für vier Heizraten.
Ein erweiterter Versuchsaufbau, der sich an den Steckler-Experimenten orientiert, wurde aufgebaut, um die Austrittsfahne aus einer skalierten Kammer zu untersuchen. Zusätzlich zu den Geschwindigkeitsmessungen werden die Gastemperaturen an einer Reihe von interessanten Stellen gemessen (siehe folgende Abbildung).
Die Ein- und Ausströmgeschwindigkeiten der Tür werden mit beiden Techniken, PIV und LDV, gemessen, um die experimentellen Daten zu konsolidieren. Ein charakteristisches Strömungsmuster ist unten abgebildet.
Zukünftige Versuchsaufbauten werden sich auf die oben genannten Anforderungen und die Reduzierung der Komplexität konzentrieren, um eine fundierte Validierung mit numerischen Methoden zu ermöglichen.
Zugehörige Veröffentlichungen
Velocity measurements of a bench scale buoyant plume applying particle image velocimetry
Andreas Meunders, Lukas Arnold, Alexander Belt, Alexander Hundhausen
International journal of heat and mass transfer 123, 473 - 488 (2018)
10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.02.011
Temperature and Laser Doppler Velocimetry Measurements of a Spill Plume in a Small Scale Experiment with an Electrical Heat Source
Alexander Belt, Lukas Arnold, Leonie Rommeswinkel, Anna Tscherniewski
FireSS 2nd International Fire Safety Symposium, Neaples, Italy, 7 Jun 2017 - 9 Jun 2017, 797 - 804 (2017)
Temperature and Velocity Field Measurements for a Pure Buoyancy Driven Plume in a Enclosure
Alexander Belt, Lukas Arnold, Leonie Rommeswinkel, Anna Tscherniewski
Fire and Materials 2017, San Francisco, USA, 6 Feb 2017 - 8 Feb 2017, 225-238 (2017)
Zugehörige Abschlussarbeiten/Dissertationen
A study on buoyancy-driven flows: Using particle image velocimetry for validating the Fire Dynamics Simulator
Andreas Meunders
PhD thesis, 2016
Design einer Versuchsanlage zur Untersuchung der Turbulenz von auftriebsgetriebenen Strömungen
Leonie Rommeswinkel
Master thesis, 2017
Experimente zur Validierung des Fire Dynamics Simulator (FDS) – Untersuchung der Thermo- und Fluiddynamik an einer kleinskaligen Einraumgeometrie
Anna Tscherniewski
Master thesis, 2017
PIV-basierte Strömungsmessung im Modellmaßstab: Durchführung und Auswertung
Leonie Rommeswinkel
Bachelor thesis, 2015
PIV-basierte Strömungsmessungen im Modellmaßstab: Simulation und Validierung
Anna Tscherniewski
Bachelor thesis, 2015