Turbulente thermische Konvektion von viskoelastischen Fluiden

• Antragsteller: Dr. Jiaxing Song
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 559832532

Turbulente thermische Konvektion ist ein weit verbreitetes Phänomen, das in den flüssigen Kernen von Sternen und Planeten, in Planetenatmosphären, terrestrischen Ozeanen und industriellen Prozessen beobachtet wird. Die komplexen turbulenten Strömungsbewegungen, einschließlich Plume Jets und großräumiger Winde, und die Wärmeübertragung bei thermischer Konvektion wurden in den letzten 50 Jahren für Boussinesq-Newtonsche Flüssigkeiten gut untersucht. Während für praktische Berechnungen unter normalen Bedingungen alle Flüssigkeiten und Gase bis auf wenige Ausnahmen wie Wasser und Luft als Newtonsche Flüssigkeiten angenommen werden können, sind die meisten realen Flüssigkeiten in der Natur und in der Industrie viskoelastisch, d. h. sie weisen häufig sowohl festkörperähnliches (als elastisch angenommenes) als auch flüssigkeitsähnliches (viskoses) Verhalten auf. Beispiele sind Erdöl und Magma unter der Erdoberfläche, viele Polymerlösungen, geschmolzene Polymere, viele feste Suspensionen, Blut und die meisten hochviskosen Flüssigkeiten. Studien über die turbulente thermische Konvektion viskoelastischer Flüssigkeiten sind jedoch selten. Das Fehlen experimenteller Techniken zur In-situ-Messung elastischer Spannungen schränkt das dringend benötigte mechanistische Verständnis der turbulenten Dynamik in viskoelastischen Strömungen stark ein. Um den Wärmeübertragungsprozess und die Turbulenzdynamik der thermischen Konvektion viskoelastischer Flüssigkeiten zu untersuchen, schlage ich vor, direkte numerische Simulationen der viskoelastischen turbulenten Rayleigh--Bénard-Konvektion mit und ohne Systemrotation sowohl in periodischen als auch in begrenzten Zellen durchzuführen; letzteres zum direkten Vergleich mit anderen verfügbaren Experimenten. Die Rolle der Viskoelastizität eines Fluids beim Wärme- und Impulstransport und die Veränderungen in kohärenten Strömungsstrukturen unter verschiedenen thermischen Antriebskräften, Rotationsintensitäten und mechanischen Randbedingungen werden untersucht. Die Untersuchung des Strömungsverhaltens viskoelastischer thermischer Konvektion ist von entscheidender Bedeutung für die Optimierung der Auslegung und Effizienz industrieller Prozesse, bei denen Wärme übertragen wird, sowie für das Verständnis geophysikalischer Phänomene und Umweltprozesse unter realistischeren Bedingungen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich(e): Privatdozentin Dr. Olga Shishkina