Thermische Konvektion bei großen Aspektverhältnissen: Die lokale und zeitliche Dynamik von Dissipationsprozessen

• Antragsteller: Privatdozent Dr.-Ing. Ronald du Puits
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 390361628

Die Mehrzahl aller geophysikalischen und ingenieurtechnischen Konvektionsprobleme ist dadurch gekennzeichnet, dass deren laterale Ausdehnung die Höhe der Fluidschicht um ein Vielfaches übersteigt. Nach wie vor ist allerdings der Fokus experimenteller und numerischer Arbeiten zum konvektivem Wärmeübergang auf Problemstellungen gerichtet, bei denen dieses sogenannte Aspektverhältnis eher klein, d. h. kleiner oder gleich eins ist. Dies hängt insbesondere damit zusammen, dass man vergleichbar hohe Rayleigh-Zahlen in Laborexperimenten unter anderem durch eine große vertikale Ausdehnung der Versuchsanordnung erreicht, welche in der Regel nicht beliebig durch eine laterale Erweiterung kompensiert werden kann. Diesem Umstand ist es auch geschuldet, dass phänomenologische Theorien zum konvektiven Wärmetransport, die in der Regel auf einer eindimensionalen Modellvorstellung ohne eine laterale Begrenzung basieren, bis heute experimentell nur eingeschränkt evaluiert werden konnten. Messungen des Wärmetransports und der thermischen Dissipationsrate in Experimenten mit hohem Aspektverhältnis (und hoher Rayleigh-Zahl) tragen dazu bei, diese Einschränkungen zu überwinden. Dies wollen die Antragsteller auch im Folgeprojekt aufgreifen und im sogenannten „Ilmenauer Fass“ beide Größen bei Aspektverhältnissen gleich oder größer als acht und bei Rayleigh-Zahlen bis 10^{12} messen. Im Vergleich zum Vorgängerprojekt, bei dem die zeitlich gemittelten Größen im Vordergrund standen, soll im hier beantragten Projekt der Fokus auf deren zeitlicher Dynamik liegen. Aus direkten numerischen Simulationen (DNS) von Scheel und Schumacher [J. Schumacher and J. D. Scheel. Extreme dissipation event due to plume collision in a turbulent convection cell. Phys. Rev. E 94, 043104 (2016)] ist bekannt, dass insbesondere die thermische Dissipationsrate zeitlich und auch lokal extrem starken Schwankungen unterliegt. Dies soll nun erstmalig auch im Experiment nachgewiesen werden. Da Messungen potentiell einen deutlich längeren „Beobachtungszeitraum“ als vergleichbare DNS abbilden können, wird auch die statistische Unsicherheit der Messdaten wesentlich kleiner ausfallen. Ein zweiter Schwerpunkt der Arbeiten soll der folgenden Fragestellung gewidmet sein: Wie repräsentativ sind lokale, zeitgemittelte Messwerte in turbulenter Rayleigh-Bénard Konvektion für die jeweilige horizontale Ebene, wenn sie nur an einer einzigen Position gemessen wurden. Für Aspektverhältnisse kleiner oder gleich eins, ist diese Fragestellung in der Vergangenheit bereits untersucht und negativ beantwortet worden. Für große Aspektverhältnisse, bei denen der Einfluss der Seitenwand nur auf einen kleinen, äußeren Bereich der Fluidschicht beschränkt ist, wollen dies die Antragsteller anhand von lateral verteilten Messungen der thermischen Dissipationsrate, also letztendlich der Verteilung des lokalen, turbulenten Wärmestromes im hier beantragten Folgeprojekt klären.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen