Untersuchung der Dynamik großskaliger Strömungszirkulationen in turbulenten Konvektionszellen mit sehr großen Aspektverhältnissen mittels Direktsimulationen und Experimenten in komprimiertem Schwefelhexafluorid

• Antragsteller: Dr. Christian Resagk; Professor Dr. Jörg Schumacher
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 255352004

Viele turbulente Konvektionsprozesse in Natur und Technik finden in horizontal ausgedehnten Schichten oder Behältnissen statt und zeigen Hierarchien von geordneten und regelmäßigen großskaligen Strömungsmustern, obwohl die entsprechenden Rayleigh- und Reynoldszahlen eine voll entwickelte Turbulenz implizieren. Im vorliegenden Projekt möchten wir die räumlich-zeitliche Dynamik dieser großskaligen Zirkulationsmuster im Detail untersuchen. Dazu sollen Experimente in komprimierten Schwefelhexafluorid mit massiv parallelen Direktsimulationen auf der Basis der spektralen Elementmethode bei gleichen Parametern kombiniert und verglichen werden. Beide methodischen Zugänge erlauben die Untersuchung der turbulenten Rayleigh-Bénard-Konvektion in Konvektionszellen mit sehr großem Aspektverhältnis bei vorher nicht erreichbaren Rayleighzahlen. Die Analysen sollen klären, ob und wie sich diese Strömungsmuster als Relikte vom Einsatzpunkt der Konvektion sowie aus dem schwach nichtlinearen Regime oberhalb der linearen Instabilitätsschwelle hin zum vollends turbulenten Regime der Konvektion entwickeln. Wir möchten die Zeitskalen identifizieren auf denen sich diese Muster ändern und ihre Rayleighzahlabhängigkeit analysieren. Das Experiment erlaubt uns zusätzlich die Robustheit der Zirkulationsmuster gegenüber nicht-Boussinesq-Effekten zu beleuchten. Aus den Direktsimulationen möchten wir Amplitudenmodelle entwickeln, die diese Muster durch wenige dominante Freiheitsgrade beschreiben können und die Möglichkeit der Kontrolle dieser Strukturen in technischen Anwendungen eröffnen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen