Rotierende turbulente thermische Konvektion bei großen Rayleigh-Zahlen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Privatdozentin Dr. Olga Shishkina; Dr. Stephan Weiss
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 324106305

In diesem Projekt wollen wir rotierende turbulente Rayleigh-Benard Konvektion (RBK) bei sehr großen Rayleigh-Zahlen sowohl experimentell, als auch numerisch untersuchen. Während im Experiment der Wärmestrom bei Ra bis zu 1e15 sehr prezise gemessen werden kann, ermöglichen die Simulationen einen fast beliebig detailierten Einblick in die Fluidströmung. Um im Experiment solch hohe Ra zu erreichen wird bis auf 19 bar komprimiertes Schwefelhexaflurid als Arbeitsgas verwendet. Die Prandtl-Zahl (Pr) beträgt in diesem Fall ca. 0,8. Mit unserer Apparatur können maximale dimensionslose Rotationsraten (ausgedrückt durch die inverse Rossby-Zahl 1/Ro) von bis zu 20 erreicht werden. Ein Hauptaugenmerk unserer Untersuchung ist es zu verstehen, wie die Rotation den Übergang zum "Ultimate state" beeinflußt. Erkenntnisse über den Wärmetransport und die Fluid-Strömung in diesem Regime können auf geo- und astrophysikalischen Konvektionssystemen übertragen werden. Ein weiterer Fokus wird auf die Untersuchung der geostrophen Turbulenz gelegt, wo Druckgradienten durch Coriolis-Kräfte ausgeglichen werden. Solche Zustände treten bei hohen Ra und 1/Ro auf und spielen für die Strömungen z.B. in der Erdatmosphäre eine wichtige Rolle.Direkte Numerische Simulationen (DNS) werden für Ra bis zu 1e11 in zylindrischen Geometrien durchgeführt, wobei sowohl der Pr als auch der 1/Ro-Bereich mit dem im Experiment vergleichbar ist. Speziell wollen wir in diesen Simulationen folgende Aspekte untersuchen: (i) Die Beschaffenheit und Dynamik der Ekman und derStewartson Grenzschichten; (ii) Die globale großskalige Strömung und damit zusammenhänged dietoroidale-poloidale Energie-Balance; (iii) Schnelle Fluktuationen auf kleinen Längenskalen. Auch in den Simulationen wird der Fokus auf die Untersuchung von geostrophen Strömungen liegen. In der Tat überschneiden sich Parameter-Bereiche der Experimente und der Simulationen für Ra im Bereich von 1e9 bis 1e11 und 1/Ro bis zu 20. Zumindest in Teilen dieses Bereiches wird das Geostrophe-Regime erwartet. Mit dieser Kombination aus Experimenten und Simulation hoffen wir einen entscheidenen Beitrag für ein besseres Verständnis der Strömung und des Wärmetransports in rotierender turbulenter RBK zu leisten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen