Über den Einfluß von Rotation auf turbulente thermische Konvektion bei verschiedenen Prandtl-Zahlen

• Antragsteller: Dr. Stephan Weiss
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 216568419

Thermische Konvektion beschreibt die Strömung eines Fluids aufgrund eines thermischen Gradienten. Ist der Gradient groß genug, so ist die Strömung des Fluids turbulent, d.h. chaotisch in Raum und Zeit und selbstähnlich über mehrere Größenskalen. Thermische Konvektion spielt besonders als Wärmetransportprozess eine sehr wichtige Rolle, sowohl in der Natur, als auch in industriellen Anwendungen.Experimentell wird thermische Konvektion in der Regel in abgeschlossenen Containern untersucht, wobei die Bodenplatte geheizt und die obere Deckelplatte gekühlt wird. An diesen Platten entstehen thermische Grenzschichten von denen sich Flüssigkeitsvolumen (Plumes) ablösen die aufgrund ihres Auftriebs die Strömung antreiben. Die meisten geo- und astrophysikalischen Konvektions-Systeme rotieren und die dabei auftretenden Coriolis- und Zentripetal-Kräfte haben starken Einfluß auf die Konvektionsströmung und somit auf den Wärmetransport. In Labor-Experimenten und Computer-Simulationen wurde gezeigt, dass sich bei kleinen Rotationsgeschwindigkeiten der Wärmetransport erhöhen kann, da sich die Plumes zu Wirbeln verdrehen in denen Ekman-Transport in vertikaler Richtung stattfindet. Dadurch wird warmes (kaltes) Fluid aus der unteren (oberen) Grenzschicht tief ins Innere gepumpt. Laut theoretischen Vorhersagen, ist dieser Mechanismus besonders effektiv, wenn thermische und kinetische Grenzschichten ähnliche Schichtdicken haben. Da eine Änderung der Prandtl-Zahl das Verhältnis beider Schichtdicken verändert, gibt es somit, solange alle anderen Parameter konstant bleiben, eine Prandtl-Zahl für die der Wärmetransport maximal wird. Diese Vorhersage basiert auf Computer-Simulationen, die allerdins noch nicht durch Experimente bestätigt wurden. Mit dem hier vorgeschlagenen Projekt soll diese Lücke geschlossen werden. Mit Hilfe einer rotierenden Hochdruck-Gas-Apparatur und einer Konvektionsapparatur für Flüssigkeiten sollen Experiment mit Prandtl-Zahlen von 0.7 bis 350 durchgeführt werden.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Günter Ahlers