Turbulente Konvektion in Flüssigmetallen bei großen Rayleighzahlen

Zusammenfassung: Die turbulente Konvektion in der eutektischen Gallium-Indium-Zinn Legierung (GaInSn) bei der sehr niedrigen Prandtl Zahl Pr = 0,03 wird in Laborexperimenten sowie in direkten numerischen Simulationen untersucht. Strömungsmessungen mit geeigneten Anordnungen von mehreren Ultraschall-Doppler-Sensoren und Rekonstruktionen des dreidimensionalen Strömungsfeldes mittels Magnetfeldtomographie werden erstmals die Geschwindigkeitsstruktur sowohl in den wandnahen Regionen als auch im Zentrum einer zylindrischen Konvektionszelle bei Rayleighzahlen von bis zu Ra = 5x10⁹ sichtbar gemacht. Die Messungen liefern erstmals Daten zum globalen Impulstransport und dem Langzeitverhalten der dreidimensionalen, großskaligen Zirkulation in der Zelle. Flankiert werden die Experimente durch massiv parallele Spektrale Elemente Simulationen, in deren Fokus die dreidimensionale Grenzschichtdynamik sowie der Einfluss nichtidealer thermischer Randbedingungen an Heiz- und Kühlplatte auf Impuls- und Wärmetransport stehen. Diese Simulationen werden auch für die Interpretation der gemessenen Turbulenzstatistik herangezogen. Die gemeinsamen Untersuchungen setzen einen neuen Meilenstein für ein tieferes Verständnis turbulenter Konvektion bei sehr niedrigen Prandtl-Zahlen mit ihren zahlreichen Anwendungen in astro- und geophysikalischen Strömungen sowie in ingenieurtechnischen Systemen.

Abbildung 1: Foto des Versuchsaufbaus ohne thermische Isolation (links). Momentaufnahme der mit Ultraschall-Doppler Velocimetrie gemessenen Strömungsstruktur (rechts)