Strömungsstruktur und Wärmetransport in vertikaler Konvektion bei niedrigen Prandtl-Zahlen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Privatdozentin Dr. Olga Shishkina; Dr.-Ing. Tobias Vogt
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 437046649

Durch eine Kooperation der Dresdner Gruppe (T. Vogt, experimentelle Studien) und der Göttinger Gruppe (O. Shishkina, theoretische Studien) soll ein signifikanter Fortschritt beim Verständnis der vertikalen, thermischen Konvektion bei sehr niedrigen Prandtl-Zahlen und großen Rayleigh-Zahlen erreicht werden. Diese Art der Konvektion hat große Relevanz für die industrielle Silizium Kristallzüchtung, bei der Erstarrung von metallischen Gussteilen, der Anwendung von Flüssigmetall für hoch-temperatur Wärmetauscher sowie für Empfänger von konzentrierter Sonnenstrahlung bei Solarkraftwerken. Darüber hinaus ist diese Kategorie der thermischen Konvektion für das Verständnis von Flüssigmetall-Planetenkernen und Sternen von Bedeutung. Im Rahmen der durchgeführten experimentellen und theoretischen Arbeiten, können die Dresdner Messungen in flüssigem Gallium-Indium-Zinn (GaInSn, Pr ca. 0,03) und die Göttinger Direkt-Numerischen-Simulationen (DNS) bei gleicher Prandtl Zahl und moderaten Rayleigh Zahlen (Ra) gegenseitig verifiziert werden. Für höhere Rayleigh Zahlen (Ra_max mindestens 2 x 10^9) werden die Dresdner Experimente Informationen über das Geschwindigkeitsfeld entlang ausgewählter Messlinien liefern sowie statistische Informationen über die Rayleigh-Zahl abhängigen Skalierung des globalen Wärmetransportes (Nusselt-Zahl, Nu) und des Impulstransports (Reynolds-Zahl, Re). Die Erreichung statistischer Informationen bei höchsten Rayleigh Zahlen und extrem kleinen Prandtl Zahlen mittels DNS ist aufgrund der Notwendigkeit, alle Kolmogorov Mikroskalen auf einem sehr feinen Rechengitter aufzulösen, schwierig. Stattdessen wird die Göttinger DNS das komplette Geschwindigkeits- und Temperaturfeld sowie die jeweiligen Strömungsfeld Merkmale bei vergleichbaren Parametern wie im Experiment liefern. Des Weiteren soll ein kürzlich entwickeltes, analytisches Verfahren der Grenzschichtmodellierung und Skalierung für den mittleren Wärme- und Impulstransport in laminaren Flüssigmetallströmungen auch für den Fall der vollentwickelten turbulenten Konvektionsströmung flüssiger Metalle erweitert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen