Experimentelle Analyse turbulenter Superstrukturen in thermischer Konvektion mittels zeitaufgelöstem Lagrangeschem Particle Tracking bis zu sehr hohen Rayleigh-Zahlen

• Antragsteller: Dr. Johannes Bosbach
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 429432497

Ziel der geplanten Untersuchungen ist die Anwendung mehrerer innovativer Messtechniken zur Erfassung turbulenter Superstrukturen (TSS) in Rayleigh-Bénard Konvektion (RBC) im klassisch-turbulenten und ultimativen Regime. Die Kombination der „Shake-The-Box“ (STB) Methode zum Lagrangeschen Particle Tracking dicht geimpfter Strömungen mit langlebigen mikroskopischen Seifenblasen als Impfpartikeln, dem Assimilationswerkzeug FlowFit und temperatursensitiven Farben (TSP) soll die erforderlichen großskaligen Messungen mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung ermöglichen.Die generierten Daten erlauben ein verbessertes Verständnis solch komplexer Phänomene wie der Wechselwirkung zwischen turbulenten Superstrukturen oder großkaligen Zirkulationen (LSC), thermischen Plumes und turbulenten Hintergrundfluktuationen, da deren dynamische Interaktion räumlich und zeitlich aufgelöst und direkt erfasst wird. Für die Untersuchungen werden zwei verschiedene Apparaturen eingesetzt. Die niedrigeren Rayleigh Zahlen (< 2·10^8) werden in einer Konvektionszelle mit Wasser als Arbeitsfluid adressiert. Diese hat einen quadratischen Grundriss und ein im Bereich von 4 bis 10 variables vertikales Aspektverhältnis. Zusätzlich werden Untersuchungen in einer rechteckigen Konvektionszelle mit im Bereich von 5 bis 10 variablem longitudinalen Aspektverhältnis durchgeführt. Diese wird im ‚U-Boot‘ des Max-Planck-Institutes für Dynamik und Selbstorganisation mit komprimiertem Schwefel-Hexafluorid als Arbeitsmedium betrieben. Auf diese Weise können Rayleigh Zahlen bis zu 5·10^13 erzeugt werden.Im Einzelnen sollen die folgenden Ziele und Forschungsfragen mit diesem Projekt adressiert werden:Ziele:1. Erzeugung und Beobachtung turbulenter Superstrukturen in RBC unter Laborbedingungen2. Etablierung von STB / FlowFit und TSP als experimentelle Werkzeugkette zur Untersuchung Lagrangescher und Eulerischer Strömungsstrukturen und Statistiken in RBC3. Erweiterung der STB / FlowFit Prozesskette zur gleichzeitigen Vermessung und Assimilierung dreidimensionaler Temperatur- und Geschwindigkeitsfelder mittels temperaturempfindlicher Impfpartikel4. Untersuchung turbulenter RBC bei moderat großen Aspektverhältnissen (4..10) bis zu sehr hohen Ra (~10^13)Forschungsfragen:1. Wie skalieren die erzeugten TSS mit der Rayleigh-Zahl?2. Wie verändert sich die Morphologie und Dynamik der großskaligen Strömungsstrukturen beim Übergang von LSC zu TSS, d.h. mit zunehmendem Aspektverhältnis?3. Welche Mechanismen bestimmen die dynamische Wechselwirkung zwischen den kleinen und großskaligen kohärenten Strukturen, wie etwa themischen Plumes, LSC, TSS oder benachbarten LSC?4. Inwieweit beeinflusst die Probengeometrie (rechteckig, quadratisch, kreisförmig) die Skalierung und Anordnung der turbulenten Superstrukturen?5. Wie stark sind die großskaligen Strömungsstrukturen (LSC / TSS) mit den “Pattern”, die sich beim Einsatz der thermischen Konvektion einstellen, verknüpft?

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1881: Turbulent Superstructures
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Andreas Schröder