Autoren: Gregor Ganzer | Jakob Schöne | Michael Stelter

Der Dampf geht seinen Weg! Ein Blick auf Strömungen, Temperatur, Luftdichte und Konvektion.

22. Dezember 2017

Konturdarstellung der Temperatur im Schnitt durch den Räuchermann.
© Fraunhofer IKTS
Konturdarstellung der Temperatur im Schnitt durch den Räuchermann. Nahe der Räucherkerze treten sehr hohe Temperaturen auf. Durch die Strömung breitet sich die hohe Temperatur durch Konvektion nach oben aus.

Der Räuchermann schaut interessiert zu, während der Computer die ersten Ergebnisse liefert. Zur Erinnerung: Wir kombinierten im gestrigen Beitrag den Räuchermann mit seiner inneren Form, dem Räucherkerzchen und der umgebenden Luft. Wir wiesen all diesen Elementen Eigenschaften zu, die entweder von uns gemessen wurden oder die wir anders ermittelten oder festlegten. Nun starten wir die Simulation. Das heißt, der Rechner sagt uns, was jetzt passiert. Welche physikalischen Effekte können wir beobachten?

Was uns bisher sehr interessierte, war immer die Temperatur. Daher scheint es sinnvoll, mit ihr anzufangen. Was wir im ersten Bild, das der Computer ausspuckt, sehen, ist eine Darstellung der Temperaturen, die in der Luft und im Gasraum im Inneren des Räuchermanns herrschen. Die Farben scheinen sehr bunt und unnatürlich. Das hat aber einen Grund: In den Farben ist wieder die Temperatur codiert, ähnlich wie wir das schon von der Infrarot-Thermographie kennen. Rote Farbe bedeutet hohe Temperatur (bis 600 °C), blaue Farbe niedrige (20 °C).

Was wir im Detail sehen: Um die Spitze des Kerzchens herum ist das Gas sehr heiß – rote Farbe. Nach oben hin, in Richtung Mund des Räuchermanns, bildet sich offenbar auch eine Zone mit recht heißem Gas – gelbe Farbe. Wenn dieses den Mund verlässt, kühlt sich das Gas schnell wieder ab – blaue Farbe.

Konturdarstellung der Luftdichte im Schnitt durch den Räuchermann.
© Fraunhofer IKTS
Konturdarstellung der Luftdichte im Schnitt durch den Räuchermann. Aufgrund der hohen Temperaturen nahe der Räucherkerze nimmt die Luftdichte ab und es kommt zum Auftrieb. Je weiter der Rauch nach oben steigt, desto stärker kühlt er ab und die Dichte nimmt wieder zu.

Was passiert mit Luft oder Gasen, wenn sie sehr heiß werden? – Ihre Dichte nimmt ab. Das bedeutet, sie werden leichter. Der Zusammenhang zwischen Dichte und Temperatur eines Gases berechnet ein Computer sehr leicht. Also kann er uns auch, korrespondierend zur Berechnung der Temperaturen aus dem vorangegangenen Bild, eine Darstellung der Dichte ausgeben, die an jeder Stelle im Räuchermann herrscht. Schauen wir uns das einmal an: Sie sehen ein umgekehrtes Bild: Rund um die Kerze ist viel blau. Das heißt, das Gas hat eine niedrige Dichte. Es zeigt sich damit genau das, was wir erwarten würden: Je heißer das Gas (nahe der Spitze), desto geringer die Dichte. Da das Gas seine Temperatur weitgehend beibehält, bleibt auch seine Dichte gering, wenn es einmal am heißen Kerzchen vorbei gestrichen ist.

Ein heißes Gas mit einer geringen Dichte … jeder weiß, das steigt nach oben. Sollten wir hier dem Rätsel auf der Spur sein?

 

Erfahren Sie mehr zu Modellierung und Simulation am Fraunhofer IKTS.

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