Schnell rotierende Rayleigh-Bénard Konvektion in flüssigen Metallen

• Antragstellerin: Dr. Susanne Horn
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Physik des Erdkörpers
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 324865366

Rotierende Rayleigh-Bénard Konvektion in Flüssigmetallen gilt als ideales Modellsystem zur Beschreibung von magnetohydrodynamischen Prozessen geo- und astrophysikalischer Phänomene, wie sie zum Beispiel im Kern von Planeten oder in der Konvektionszone von Sternen auftreten. Aus strömungsmechanischer Sicht, zeichnen sich diese Strömungen insbesondere durch ihre niedrige Prandtl-Zahl aus und, damit eng verknüpft, durch grundlegend andersartige Instabilitätsmechanismen und einen wesentlich früheren Turbulenzübergang, verglichen mit moderaten oder großen Prandtl-Zahl-Strömungen. Da jedoch die Auflösungsanforderungen für direkte numerische Simulationen (DNS) wesentlich höher sind und die optische Zugänglichkeit auf Grund der Undurchsichtigkeit von Metallen eingeschränkt ist, ist die Anzahl an Untersuchungen begrenzt. Folglich ist die zugrunde liegende Physik, insbesondere die der oszillierenden Konvektion, nur ungenügend verstanden. Das Ziel des beantragten Forschungsvorhabens ist es somit, unser Wissen über Konvektionsströmungen in flüssigen Metallen zu vergrößern. Zu diesem Zweck sollen hochaufgelöste DNS von Konvektion bei kleinen Prandtl-Zahlen in zylindrischen Behältern mit verschiedenen Aspektverhältnissen durchgeführt werden, sowohl unter dem Einfluss schneller Rotation als auch von Magnetfeldern. Insbesondere soll das Regime geostrophischer Turbulenz untersucht werden, welches bisher wenig erforscht, im geophysikalischen Kontext jedoch höchst relevant ist. Die Kontrollparameter werden so gewählt sein, dass sie exakt mit denen des einzigartigen rotierenden Magnetokonvektions-Experiments des Simulated Planetary Interiors Laboratory (SPINlab) der UCLA übereinstimmen werden, welches flüssiges Gallium als Arbeitsfluid nutzt. Dies wird nicht nur einen direkten Vergleich ermöglichen, sondern auch die Grundlage anspruchsvoller Analyseverfahren bilden. Zur Interpretation und Analyse der Daten sollen Methoden aus der turbulenten Konvektionstheorie, der Systemidentifikation und der experimentellen geophysikalischen Strömungsdynamik kombiniert werden. Das heißt, neben den traditionellen Methoden, welche auf dem Studium von Spektren, Mittelwerten, der mittlere quadratischen Abweichung und statistischer Moment höherer Ordnung beruhen, soll zudem die Dynamic Mode Decomposition (DMD) angewendet werden. Die DMD ermöglicht es, die Frequenzen, die in den Experimenten und den DNS ermittelt werden, mit den tatsächlichen Strömungsstrukturen zu identifizieren und außerdem deren zeitliche Entwicklung zu studieren. Darüber hinaus soll durch Entlehnung von Methoden aus der Theorie der Systemidentifikation eine neue Sicht auf dieses Problem gewonnen werden. Es ist geplant, einen Dynamischen Beobachter zu entwerfen, der es, basierend auf punktweisen Thermistormessungen und in Verbindung mit den DNS, erlauben wird das gesamte Strömungsfeld des ansonsten optisch unzugänglichen Experiments zu rekonstruieren.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Jonathan Aurnou, Ph.D.