Konvektion mit thermischen Volumenantrieb

• Antragstellerin: Privatdozentin Dr. Olga Shishkina
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 499364797

Thermisch angetriebene turbulente Strömungen sind in der Natur und in technischen Anwendungen allgegenwärtig. Sie entstehen durch spezifische thermische Bedingungen am Rand einer Konvektionszelle und/oder durch interne Wärmequellen. In diesem Projekt werden wir die turbulente thermische Konvektion mit der letztgenannten Form des Antriebs untersuchen - nämlich mit thermischem Volumenantrieb, sowohl für den klassischen Fall mit konstantem Antrieb als auch für den räumlich und zeitlich modulierten Antrieb, der näher an vielen Anwendungen der innerlich erwärmten Turbulenz liegt. Unsere theoretische und numerische Studie basiert auf zwei- und dreidimensionalen direkten numerischen Simulationen, die in einem breiten Bereich von Kontrollparametern durchgeführt werden: bis zu fünf Größenordnungen in der Prandtl-Zahl, bis zu sechs Größenordnungen in der Rayleigh-Roberts-Zahl und bis zu vier Größenordnungen in der thermischen Modulationsfrequenz. Zunächst wollen wir für konstanten thermischen Volumenantrieb mit den direkten numerischen Simulationen unsere jüngste vereinheitlichende Skalierungstheorie für den Impulstransport (Reynolds-Zahl) und die Volumen-Temperatur in der innerlich erwärmten Konvektion verifizieren und weiterentwickeln. Wir werden die Skalierungstheorie erweitern, um auch den Wärmetransport durch die obere und untere Grenzschicht des Fluids, d.h. die entsprechenden Nusselt-Zahlen, die sich bei Konvektion mit thermischem Volumenantrieb unterscheiden, vorherzusagen. Wir werden auch die globalen Antwortparameter der Strömung mit der lokalen Strömungsorganisation verknüpfen. Insbesondere wollen wir aus den erweiterten Grenzschichtgleichungen die gemittelten Profile der Geschwindigkeit und der Temperatur entlang der vertikalen Richtung verstehen. Diese Profile werden sich für den oberen, auftriebsdominierten Teil und den unteren, durchdringenden Teil der innerlich erwärmten Fluidschicht unterscheiden. Schließlich werden die Konsequenzen einer zeitlichen und raumzeitlichen Modulation der turbulenten Konvektion mit thermischem Volumenantrieb untersucht. Insbesondere wollen wir die Auswirkungen der zeitlichen und/oder räumlichen Modulation der thermischen Quelle auf die globale Strömungsorganisation, den Wärme- und Impulstransport und die Volumentemperatur des Systems verstehen. Wir erwarten, verschiedene Regime zu identifizieren, abhängig von der Modulationsfrequenz, und wollen diese Regime sowie die Übergänge zwischen ihnen theoretisch erklären.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen