Rayleigh-Bénard Konvektion
Thermische Turbulenz ist allgegenwärtig und wichtig für das Verständnis von Sternen, Planeten und vielen technischen Anwendungen. Ein kanonisches Experiment zur Untersuchung thermischer Turbulenz ist die Rayleigh-Bénard Konvektion, wobei ein Temperaturgradient zwischen einem warmen Boden und einem kühlen Deckel ein Fluid zum Strömen anregt. Ein typisches Merkmal von freien Konvektionsströmungen ist das Ausbilden großer, kohärenter Strukturen aus kleinskaliger, thermischer Turbulenz. Die Konvektion bei sehr niedrigen Prandtl-Zahlen, wie sie Beispielsweise im inneren Erdkern (Pr∼10-2) oder in Sternen (Pr<10-3) anzutreffen sind, hat einige Besonderheiten, die in der sehr guten Wärmeleitfähigkeit begründet sind. Die trägheitsdominierten Strömungsfelder werden sehr schnell turbulent, sind jedoch kaum in der Lage das Temperaturfeld stark zu beeinflussen. Experimente mit den niedrigsten Prandtl-Zahlen lassen sich nur mit Flüssigmetallen realisieren und stellen eine große Herausforderung dar. In der Abteilung Magnetohydrodynamik werden diese Flüssigmetallkonvektionen sowie deren Wechselwirkung mit Magnetfeldern experimentell untersucht. Mit einem zielgerichteten Einsatz der Ultraschall Doppler Velocimetrie (UDV) sowie der kontaktlosen CIFT Messtechnik lassen sich die komplexen Geschwindigkeitsfelder im Flüssigmetall rekonstruieren. Ergänzt werden die Geschwindigkeitsmessungen durch zeitlich hochaufgelöste Temperaturmessungen. Dadurch können die globalen Skalierungen für den Wärmetransport (Nußelt-Zahl) sowie die Strömungsintensität (Reynolds-Zahl) ermittelt werden. Ergänzt werden die Flüssigmetallexperimente durch direkt numerische Simulationen (DNS).
Derzeit werden die folgenden Projekte bearbeitet:
- Wechselwirkung von Flüssigmetallkonvektion mit einem horizontalen Magnetfeld
- Wechselwirkung von Flüssigmetallkonvektion mit einem vertikalen Magnetfeld (im Aufbau)
- Flüssigmetallkonvektion mit horizontalem Temperaturgradient
- Turbulente Konvektion in Flüssigmetallen bei großen Rayleighzahlen (DFG-Projekt, in Vorbereitung)
Abbildung 1: Untersuchung des Einflusses horizontaler Magnetfelder auf eine Flüssigmetallkonvektion (numerische Simulation). Die Abbildungen links zeigen die Wirbelstrukturen (a) sowie das Magnetfeld-parallele Geschwindigkeitsfeld (b) bei einem „schwachen Magnetfeld“. Die Abbildungen rechts hingegen zeigen den Einfluss eines deutlich stärkeren Magnetfeldes. Gut zu erkennen ist, wie sich die Wirbelstrukturen parallel zum Magnetfeld ausrichten, wodurch die Strömung quasi zweidimensional wird. |
Abbildung 2: Schema der Aufgabenteilung zwischen Experiment und Simulation einer Flüssigmetall-Konvektion bei hohen Rayleigh Zahlen. Das Experiment ist Teil eines DFG-Projektes und befindet sich in der Designphase. |
Projektpartner:
- FG Strömungsmechanik, Technische Universität Ilmenau
- Laboratory for Flow Control, Hokkaido University, Sapporo, Japan
- Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology (JAMSTEC), Yokosuka, Japan
- SpinLab, Earth Planetary and Space Sciences, University of California, Los Angeles (UCLA)
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Vogt, T.; Ishimi, W.; Yanagisawa, T.; Tasaka, Y.; Sakuraba, A.; Eckert, S.
Transition between quasi 2D and 3D Rayleigh-Bénard convection in a horizontal magnetic field
Phys. Rev. Fluids 3 (2018) 013503 -
Bertin, V.; Grannan, A.; Vogt, T.; Horn, S.; Aurnou, J.
Rotating thermal convection in liquid gallium: Multi-modal flow absent steady columns
Journal of Fluid Mechanics, submitted -
Zürner, T.; Vogt, T.; Resagk, C.; Eckert, S.; Schumacher, J.
Local Lorentz force and ultrasound Doppler velocimetry in a vertical convection liquid metal flow
Experiments in Fluids 59 (2018), 3. -
Wondrak, T.; Pal, J.; Stefani, F.; Galindo, V.; Eckert, S.
Visualization of the global flow structure in a modified Rayleigh-Bénard setup using contactless inductive flow tomography
Flow Measurement and Instrumentation (2018) -
Zürner, T., Liu, W., Krasnov, D., & Schumacher, J.
Heat and momentum transfer for magnetoconvection in a vertical external magnetic field
Physical Review E 94(2016), 043108. -
Tasaka, Y.; Igaki, K.; Yanagisawa, T.; Vogt, T.; Zuerner, T.; Eckert, S.
Regular flow reversals in Rayleigh-Benard convection in a horizontal magnetic field
Physical Review E 93(2016), 043109.
Referenzen