Nicht-Oberbeck-Boussinesq-Effekte in turbulenter Konvektion in tiefgekühltem Helium bei großen Rayleighzahlen

• Antragsteller: Professor Dr. Jörg Schumacher
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 450293408

Laborexperimente zur turbulenten Rayleigh-Bénard Konvektion (RBC) in tiefgekühltem Heliumgas stossen zu den größtmöglichen Rayleighzahlen vor, die unter kontrollierten Bedingungen erreichbar sind und denen in atmosphärischer Turbulenz recht nahe kommen. Sie liefern uns folglich tiefere Einblicke in den turbulenten Transport von Impuls und Wärme in diesen natürlichen Systemen. Das Erreichen dieser sehr großer Rayleighzahlen erfordert jedoch den Betrieb der Experimente in der Nähe der Phasengrenze bzw. sogar des kritischen Punktes von Helium, was wiederum Fluktuationen der Materialparameter, wie der kinematischen Zähigkeit oder der thermischen Diffusivität, nach sich zieht und zu Abweichungen vom Oberbeck-Boussinesq (OB) Regime der thermischen Konvektion führt. Dieses Regime ist durch eine Oben-unten-Spiegelsymmetrie der Strömungseigenschaften und ihrer Statistik charakterisiert. Im vorliegenden Projekt wollen wir diese Abweichungen vom OB-Fall, die so genannten nicht-Oberbeck-Boussinesq-Effekte, und ihren Einfluss auf den turbulenten Transport systematisch untersuchen. Dazu vereinen wir die existierende Expertise in Tieftemperaturexperimenten auf der tschechischen Seite mit der zu großen Direktsimulationen auf der deutschen Seite in einem gemeinsamen tschechisch-deutschen Projektantrag. Die detaillierten Parameterabhängigkeiten von Temperatur und Druck werden mittels der XHEPAK Software gewonnen, die die Zustandsgleichung des tiefgekühlten Heliumgases in voller Komplexität modelliert. Die so gewonnenen Materialparameterabhängigkeiten finden Eingang in die Simulationen der turbulenten Konvektion und können mit Simulationen des idealen OB Grenzfalls bzw. Experimenten bei gleichen Rayleighzahlen verglichen werden. Unsere Arbeit hilft folglich, die unterschiedlichen experimentellen Ergebnisse in Bezug auf die Existenz eines Übergangs in das ultimative Regime der RBC bei sehr großen Rayleighzahlen (mit einem deutlich größeren turbulenten Wärmetransport) besser zu verstehen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Tschechische Republik
• Partnerorganisation: Czech Science Foundation
• Kooperationspartner: Dr. Michal Macek