Rayleigh-Bénard Konvektion in Flüssigmetallen

Thermische Turbulenz bei niedriger Prandtl-Zahl ist wichtig für das Verständnis von Sternen, Planeten und hat große Relevanz für die industrielle Silizium-Kristallzüchtung, bei der Erstarrung von metallischen Gussteilen, der Anwendung von Flüssigmetallen für Hochtemperatur-Wärmetauscher sowie für Absorber von konzentrierter Sonnenstrahlung bei Solarkraftwerken. 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.

Aktuelle Projekte:

• Turbulente Konvektion in Flüssigmetallen bei großen Rayleighzahlen (DFG-Projekt VO 2332/1-1)
• Experimentelle Untersuchung von Superstrukturen in turbulenter Flüssigmetall Konvektion (DFG-Projekt VO 2332/3-1)
• Strömungsstruktur und Wärmetransport in vertikaler Konvektion bei niedrigen Prandtl-Zahlen (DFG-Projekt VO 2332/4-1)

Publikationen

• Kim, N.; Schindler, F.; Vogt, T.; Eckert, S.
  Thermal boundary layer dynamics in low-Prandtl-number Rayleigh–Bénard convection
  Journal of Fluid Mechanics 994(2024), A4
• Mitra, R.; Stefani, F.; Galindo, V.; Eckert, S.; Sieger, M.; Vogt, T.; Wondrak, T.
  Helicity oscillations in Rayleigh–Bénard convection of liquid metal in a cell with aspect ratio of 0.5
  Physics of Fluids 36(2024)6, 066611
• Mitra, R.; Sieger, M.; Galindo, V.; Vogt, T.; Stefani, F.; Eckert, S.; Wondrak, T.
  Design of a contactless inductive flow tomography system for a large Rayleigh-Bénard convection cell with aspect ratio Γ = 0.5
  Flow Measurement and Instrumentation 100(2024), 102709
• Teimurazov, A.; Singh, S.; Su, S.; Eckert, S.; Shishkina, O.; Vogt, T.
  Oscillatory large-scale circulation in liquid-metal thermal convection and its structural unit
  Journal of Fluid Mechanics 977(2023), A16-1-A16-27
• Wondrak, T.; Sieger, M.; Mitra, R.; Schindler, F.; Stefani, F.; Vogt, T.; Eckert, S.
  Three-dimensional flow structures in turbulent Rayleigh-Bénard convection at low Prandtl number Pr = 0.03
  Journal of Fluid Mechanics 974(2023), A48
• Zwirner, L.; S. Emran, M.; Schindler, F.; Singh, S.; Eckert, S.; Vogt, T.; Shishkina, O.
  Dynamics and length scales in vertical convection of liquid metals
  Journal of Fluid Mechanics 929(2022), A9
• F. Schindler, S. Eckert, T. Zürner, J. Schumacher and T. Vogt,
  Collapse of coherent large-scale flow in strongly turbulent liquid metal convection.
  Phys. Rev. Lett. 128(2022)16, 164501
• M. Akashi, T. Yanagisawa, A. Sakuraba, F. Schindler, S. Horn, T. Vogt and S. Eckert,
  Jump rope vortex flow in liquid metal Rayleigh–Bénard convection in a cuboid container of aspect ratio Γ = 5,
  J. Fluid. Mech. 932, A27 (2022)
• L. Zwirner, M.S. Emran, F. Schindler, S. Singh, S. Eckert, T. Vogt and O. Shishkina,
  Dynamics and length scales in vertical convection of liquid metals,
  J. Fluid. Mech. 932, A9 (2022)
• T. Vogt, J.C. Yang and S. Eckert,
  Free-fall velocities and heat transport enhancement in liquid metal magneto-convection,
  J. Fluid. Mech. 915, A68 (2021)
• T. Vogt, S. Horn and J.M. Aurnou,
  Oscillatory thermal–inertial flows in liquid metal rotating convection,
  J. Fluid. Mech. 915, A5 (2021)
• J.C. Yang, T. Vogt and S. Eckert,
  Transition from steady to oscillating convection rolls in Rayleigh-Bénard convection under the influence of a horizontal magnetic field,
  Phys. Rev. Fluids 6(2) (2021)
• T. Zürner, F. Schindler, T. Vogt, S. Eckert and J. Schumacher,
  Flow regimes of Rayleigh- Bénard convection in a vertical magnetic field,
  J. Fluid. Mech. 894, A21 (2020)
• P Jüstel, S Röhrborn, P Frick, V Galindo, T Gundrum, F Schindler, F. Stefani, R. Stepanov and T. Vogt,
  Generating a tide-like flow in a cylindrical vessel by electromagnetic forcing,
  Phys. Fluids 32 (9) 097105 (2020)
• T. Wondrak, V. Galindo, F. Stefani, F. Schindler, T. Vogt and S. Eckert,
  Contactless inductive flow tomography for a Rayleigh-Bénard setup with aspect ratio 0.5,
  Magnetohydrodynamics 56 (2020)
• T. Zürner, F. Schindler, T. Vogt, S. Eckert and J. Schumacher,
  Combined measurement of velocity and temperature in liquid metal convection,
  J. Fluid. Mech. 876, 1108-1128 (2019)
• M. Akashi, T. Yanagisawa, Y. Tasaka, T. Vogt, Y. Murai, S. Eckert,
  Transition from convection rolls to large-scale cellular structures in turbulent Rayleigh-Bénard convection in a liquid metal layer,
  Phys. Rev. Fluids 4(3) (2019)
• T. Vogt, S. Horn, A.M. Grannan and J.M. Aurnou,
  Jump rope vortex in liquid metal convection,
  PNAS 115(50) 12674–12679 (2018)
• T. Vogt, W. Ishimi, T. Yanagisawa, Y. Tasaka, A. Sakuraba and S. Eckert,
  Transition between quasi 2D and 3D Rayleigh-Bénard convection in a horizontal magnetic field,
  Phys. Rev. Fluids 3 (2018) 013503
• J.M. Aurnou, V. Bertin, A.M. Grannan, S. Horn and T. Vogt,
  Rotating thermal convection in liquid gallium: multi-modal flow, absent steady columns,
  J. Fluid Mech. 846, 846–876 (2018)
• T. Zürner, T. Vogt, C. Resagk, S. Eckert and J. Schumacher,
  Local Lorentz force and ultrasound Doppler velocimetry in a vertical convection liquid metal flow,
  Experiments in Fluids 59 (1) 1-12 (2018)
• Y. Tasaka, K. Igaki, T. Yanagisawa, T. Vogt, T. Zürner and S. Eckert,
  Regular flow reversals in Rayleigh-Benard convection in a horizontal magnetic field,
  Physical Review E 93 (4) (2016) 043109