Turbulent convection in liquid metals at large Rayleigh numbers
Final Report Abstract
Das vorliegende Projekt beinhaltete eine Kombination von experimentellen und numerischen Untersuchungen zur turbulenten Rayleigh-Bénard-Konvektion bei niedrigen Prandtlzahlen Pr. Ziel des Projekts war die Untersuchung der turbulenten Transport- und Strukturbildungsprozesse in Abhängigkeit von Geometrie und thermischen Randbedingungen. Während die Simulationen die moderaten Rayleighzahlen Ra abdeckten, konnten die Experimente in den Bereich der für Flüssigmetalle sehr großer Rayleighzahlen vorstossen. Im Bereich der moderaten Rayleighzahlen, der von Experiment und Simulation abgedeckt werden konnte, ergaben sich übereinstimmende Gesetzmäßigkeiten für den turbulenten Wärme- und Impulstransport. Die Simulationen zeigten zusätzlich, dass die Effekte der unterschiedlichen thermischen Randbedingungen im erreichbaren Parameterbereich klein blieben. Das gilt vor allen Dingen in Bezug auf die globale Strömungsstruktur und den turbulenten Wärmetransport. Die in diesem Projekt durchgeführten Laborexperimente mit kombinierten Temperatur- und Geschwindigkeitsmessungen zeigen durchweg einen bisher unbekannten Verlust der Kohärenz in der Strömung bei den größten Ra. Die permanente Umstrukturierung der großskaligen Strömungsstruktur führt zu deutlich geringeren Geschwindigkeitsamplituden im Vergleich zur stabilen Einrollenstruktur bei niedrigeren Ra. Wir konnten nachweisen, dass dieser Zusammenbruch der Kohärenz einen signifikanten Einfluss auf die Skalierungsgesetze für den Wärme- und Impulstransport hat, was mit einer Verringerung der Reynoldszahl Re einhergeht. Der Skalierungsexponent β des Potenzgesetzes Nu ∝ Raβ geht von β = 0.221 auf 0.124 über, wenn die Flüssigmetallströmung bei Γ = 0.5 Ra 2 × 10^8 erreicht. Unsere teilweise nicht erwarteten Ergebnisse aus den Messungen und den Simulationen verdeutlichen, das unser derzeitiges Wissen über die Eigenschaften der großskaligen Strömungsstruktur bei niedrigem Prandtl- und großen Rayleighzahlen für zylindrische Zellen mit Aspektverhältnis Γ < 1 noch unvollständig ist. Theoretische Modelle der Konvektion, mit denen in Bereiche extrapoliert wird, die im Labor und auf dem Computer nicht zugänglich sind, gehen oft von einem kohärenten Wind aus. Sein Zusammenbruch verändert den Wärme- und Impulstransport in einer Weise, die unserer Ansicht nach weitere detaillierte Forschung zu diesem Thema erfordert.
Publications
- Flow regimes of Rayleigh-Bénard convection in a vertical magnetic field. J. Fluid Mech. 894, A21 (2020)
T. Zürner, F. Schindler, T. Vogt, S. Eckert, and J. Schumacher
(See online at https://doi.org/10.1017/jfm.2020.264) - Large-scale flow in a cubic Rayleigh-Bénard cell: Long-term turbulence statistics and Markov state model
P. Maity, P. Koltai, J. Schumacher
(See online at https://doi.org/10.48550/arXiv.2109.02481) - Turbulent convection for different thermal boundary conditions at the plates. J. Fluid Mech. 907, A27 (2021)
N. Foroozani, D. Krasnov, and J. Schumacher
(See online at https://doi.org/10.1017/jfm.2020.830)
