Autoren: Gregor Ganzer | Jakob Schöne | Michael Stelter

Ein Geheimnis wird gelüftet: Der Rauch steigt auf.

23.12.2017

Konturdarstellung der Strömung im Schnitt durch den Räuchermann.
© Fraunhofer IKTS

Konturdarstellung der Strömung im Schnitt durch den Räuchermann.

Heute öffnen wir das vorletzte Türchen unseres Science-Blog-Adventskalenders. Der Räuchermann ist aufgeregt, denn die Lösung steht kurz bevor. Der Rechner lieferte uns bereits im letzten Beitrag einen Einblick, wie sich die Temperaturen und damit die Luftdichte im Inneren des Räuchermanns verhalten. Wir vermuteten schon, dass die geringe Dichte der warmen Luft zu einer vertikalen Bewegung führt. Auch die Geschwindigkeit der Luft, kann der Rechner sichtbar machen:

Wir sehen an der roten Farbe, dass die Strömungsgeschwindigkeit im Bereich des Mundes sehr hoch ist. Dies verwundert nicht, denn dort ist der Querschnitt der Öffnung sehr schmal. Die Luft muss also schneller strömen, um durchzupassen.

Was wir allerdings nicht sehen, ist die Richtung der Strömung. Uns zeigt sich nur der Absolutbetrag der Geschwindigkeit. Wir benötigen demzufolge eine andere Art der Darstellung. Bisher stellten wir nur einen Schnitt durch den Räuchermann dar, betrachteten also nur eine Ebene. Das berechnete Modell liegt uns jedoch dreidimensional vor und der Rechner kann die Ergebnisse auch dreidimensional ausgeben.

Schauen wir uns nun also eine dreidimensionale Darstellung der Strömungsverhältnisse an (Abbildung 2): Der Räuchermann ist halb durchgeschnitten, wir blicken von schräg oben in das Innere. Was wir sehen, sind fliegende Pfeilspitzen – oder wissenschaftlich: Vektoren. In diesen Spitzen stecken gleich zwei Informationen. Erstens erkennen wir anhand der Spitzenrichtung, in welche Richtung die Strömung an der Stelle fließt. Zweitens sehen wir anhand der Spitzengröße, wie schnell sich die Strömung an dieser Stelle bewegt. Der Rechner zeichnet die Spitzen genau nach den Daten, die er für die jeweilige Stelle in der Simulation errechnet hat.

Intuitiver ist für viele Menschen eine Darstellung mit Strömungslinien erfassbar (Abbildung 3). Da alle Daten ohnehin im Rechner vorliegen, kostet es nur ein paar Mausklicks, diese Visualisierung zu erstellen. Nun sehen wir exakt, wie die tatsächlichen Strömungsverhältnisse im Inneren des Räuchermanns ablaufen. Das Unsichtbare wurde sichtbar. Wir entdecken, wie die Frischluft durch die beiden Öffnungen im Fuß des Räuchermanns in den Innenraum eintritt und wie sie dort die Räucherkerze überstreicht. An der heißen Spitze des Kerzchens heizt sich die Luft auf. Ihre Dichte wird kleiner. Durch die dadurch ausgelöste Konvektion steigt die Luft nach oben. Sie passiert den engen Mund und da sie immer noch heiß ist, steigt sie weiter auf. Dabei ist die Luft mit Duftstoffen beladen, die sie aus dem sich zersetzenden Räucherkerzchen mitriss, wo diese Duftstoffe bei mehreren 100 °C verdampften.

Wenn wir den weiteren Weg der Rauchfahne im definierten Rechenraum verfolgen, erkennen wir, dass die Rauchfahne stabil bleibt. Der Dichteunterschied ist über viele Zentimeter spürbar. Die Wolken steigen weiter nach oben.

Ein Wissenschaftler des Fraunhofer IKTS hätte den Räuchermann nicht besser konstruieren können: Dor Raach steigt an de Deck‘ ‘nauf! Und Sie wissen jetzt auch, warum! (Abbildung 4).

Vektordarstellung der Strömung im Inneren eines Räuchermanns.
© Fraunhofer IKTS

Vektordarstellung der Strömung im Inneren des Räuchermanns. Die Pfeile sind mit dem Geschwindigkeitsbetrag eingefärbt. Je dicker ein Pfeil, desto höher ist die Strömungsgeschwindigkeit. Die höchsten Geschwindigkeiten treten im Mund des Räuchermanns auf, da der Querschnitt hier am kleinsten ist.

Stromlinien im Inneren eines Räuchermanns.
© Fraunhofer IKTS

Stromlinien im Inneren des Räuchermanns. Die Stromlinien sind auch hier mit dem Geschwindigkeitsbetrag eingefärbt.

Der Weg des Rauchs einer Räucherkerze aus dem Räuchermann.
© Fraunhofer IKTS

Der Weg des Rauchs einer Räucherkerze aus dem Räuchermann:Dor Raach steigt an de Deck‘ ‘nauf!