An Experimental Method for the Investigation of Indoor Airflows in a Reduced Scale Model Room : Development and Application

Max Konrad Körner

In der vorliegenden Arbeit wurde ein Verfahren zur experimentellen Untersuchung nicht-isothermer Raumluftströmungen in einem stark verkleinerten Modellraum unter Berücksichtigung aller Ähnlichkeitskennzahlen entwickelt. Mit diesem Verfahren konnte erstmals eine sehr hohe Genauigkeit bezüglich der Ähnlichkeitskennzahlen Reynolds-Zahl Re, Rayleigh-Zahl Ra, Prandtl-Zahl Pr sowie der Archimedes-Zahl Ar erreicht werden. Die Anpassung der Randbedingungen an den Modellmaßstab erfolgt bei dieser Methode über die Anpassung der Materialeigenschaften eines beliebigen Arbeitsgases durch Erhöhen des Drucks p. Dieses Verfahren konnte in der weltweit einzigartigen Experimentieranlage SCALEX (SCALEX = scaled convective airflow laboratory experiment) umgesetzt und auf zwei Beispielproblemstellungen der Raumluftströmung (isotherme sowie gemischte Konvektion) erfolgreich angewendet werden. Dazu wurden die Geschwindigkeitsverteilungen der groß-skaligen Strömungsstrukturen in einem im Maßstab von 1:10 verkleinerten Modellraum hinreichend komplexer Geometrie für den Fall isothermer sowie gemischter Konvektion untersucht. Die Geschwindigkeitsmessungen wurden mit einem 2D-laser Doppler velocimetry System durchgeführt. Als Arbeitsgas wurde Schwefelhexafluorid (SF6) bei einem Druck von p = 4.517bar verwendet. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit sowie die neu entstandene Anlage tragen zu einem umfangreichen Verständnis sowie einem vereinfachten experimentellen Zugang zum komplexen Themengebiet der Raumluftströmungen bei.

In the present work a new experimental method for the investigation of non-isothermal indoor airflows in a reduced scale model room with respect to the full set of dimensionless numbers has been developed. The method provides a high accuracy with respect to the dimensionless numbers Reynolds number Re, Rayleigh number Ra, Prandtl number Pr and Archimedes number Ar. The adjustment of the boundary conditions to the chosen scale is achieved by adjusting the material properties of a working gas by increasing its pressure. The technical realization of this theoretical approach could be demonstrated by setting up the worldwide unique experimental setup, the SCALEX-facility (SCALEX = scaled convective airflow laboratory experiment) and applying it to two exemplary problems (isothermal and mixed convection) of indoor airflow research. For this purpose the velocity distributions of the large-scale flow structures have been investigated in a 1:10 scale model room with sufficient high complex geometry. The velocity measurements were performed using a 2D laser Doppler velocimetry system. Sulfur hexafluoride (SF6) at a pressure of p = 4.517bar have been used as working gas. The results of the present work as well as the set up SCALEX-facility account for a comprehensive understanding and an easy experimental access to the complex subject of indoor airflow research.

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Körner, Max Konrad: An Experimental Method for the Investigation of Indoor Airflows in a Reduced Scale Model Room. Development and Application. 2014.

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