Über den Einfluß der Gross-skaligen Zirkulation auf den Übergang zum "Ultimate state" in turbulenter thermischer Konvektion

• Antragsteller: Dr. Stephan Weiss
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Physik des Erdkörpers ; Physik und Chemie der Atmosphäre
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 316170110

Thermische Konvektion ist einer der wichtigsten Wärmetransport-Mechanismen und spielt damit eine entscheidende Rolle sowohl in vielen Geo- und Astrophysikalischen Systemen, als auch in industriellen Anwendungen. Aufgrund des starken thermischen Antriebes, sind viele natürliche Konvektionssysteme hochturbulent. Für die experimentelle Untersuchen von Konvektion wird i.d.R. eine Fluidschicht zwischen zwei horizontalen Platten betrachtet. An diesen Platten bilden sich Grenzschichten, die eine entscheidende Rolle für den Wärmetransport spielen. Modelle betrachten daher die Wärme- und Impulsdissipation innerhalb dieser Grenzschichten um auf funktionale Zusammenhänge zwischen dem thermischen Antrieb (die Rayleigh-Zahl Ra) und dem Wärmetransport zu finden. Die turbulente Strömung im Inneren ist durch großskalige Konvektionzirkulationen (LSC) charakterisiert, die sich über die gesamte Höhe der Zelle erstrecken. Auf Grund von Modellen wird vorhergesagt, dass bei hinreichend großen Ra, Scherkräfte die von der LSC auf die Grenzschicht ausgeübt werden, dies turbulent machen. Das hätte einen merklichen Anstieg des Wärmetransports zur Folge, und das System erreicht einen Zustand, der als "ultimate state" bekannt ist. In Experimenten wurde kürzlich ein Übergang des Wärmetransportes bei Ra um die 3e14 beobachtet, der auf den Übergang zum ultimate state hindeutet. Allerdings ist soweit nicht klar, ob in diesen Experimenten wirklich die vertikalen Grenzschichten turbulent sind. In diesem Projekt wollen wir den Einfluß der LSC auf die Stabilität der Grenzschicht und damit auf den Wärmetransport in einer Rayleigh-Benard-Zelle untersuchen. Speziell wollen wir die Stärke der LSC durch einen zusätzlichen Antrieb erhöhen und dadurch das System in den "ultimate state" zu treiben. Insbesondere werden wir den Wärmetransport also Funktion von Ra und des zusätzlichen kinetischen Antriebes messen; aber auch die Strukturen des Temperaturfeldes und der LSC mit Hilfe von Wärmesensoren. Außerdem wollen wir mit einem weiteren Experiment, den Wärmetransport von einer warmen Platte durch die darüberliegende turbulente Grenzschicht untersuchen. In diesem Experiment können wir dann direkt die Grenzschicht mit optimschen Messmethoden untersuchen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1881: Turbulent Superstructures
• Internationaler Bezug: Niederlande, USA
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professor Günter Ahlers; Dr. Gregory Bewley; Professor Dr. Detlef Lohse; Privatdozentin Dr. Olga Shishkina