Experimentelle Untersuchung von Superstrukturen in turbulenter Flüssigmetall Konvektion (DFG Vo 2332/3-1)

Zusammenfassung: Das Auftreten von thermischen Superstrukturen bei turbulenter Konvektion in Flüssigkeiten mit sehr niedriger Prandtl-Zahl wird experimentell in einem Bereich mit großem Aspektverhältnis untersucht. Die Experimente werden mit dem flüssigen Metall Gallium-Indium-Zinn (GaInSn) durchgeführt, das eine Prandtl-Zahl von Pr ≈ 0,03 aufweist. Kombinierte Temperatur- und Geschwindigkeitsmessungen werden detaillierte Informationen über turbulente, konvektive Überstrukturen und deren Dynamik liefern. Eine neuartige Ultraschall-Doppler-Array-Technik wird eingesetzt, um erstmals zweidimensionale Geschwindigkeitsvektorfelder der Überstrukturen in einer turbulenten Flüssigmetallkonvektion zu messen. Die Geschwindigkeitsmessungen werden durch gleichzeitige Temperaturmessungen an bis zu 500 Messpositionen ergänzt, um die räumlich-zeitliche Abbildung der Temperaturverteilung in der thermischen Grenzschicht zu ermöglichen. Hochfrequente Abtastungen des Geschwindigkeits- und Temperaturfeldes an lokalen Positionen werden durchgeführt, um turbulente Statistiken zu erhalten, während Langzeitmessungen über zehntausende von konvektiven Freifallzeiteinheiten die langfristige Dynamik des Strömungsmusters aufzeigen. Darüber hinaus werden wir Skalierungen für den Wärme- und Impulstransport erstellen. Die vorgeschlagenen Experimente werden einen neuen Meilenstein für ein tieferes Verständnis turbulenter Überstrukturen bei sehr niedrigen Prandtl-Zahlen im Hinblick auf ihre große Bedeutung sowohl in geo- und astrophysikalischen Strömungen als auch in technischen Systemen setzen.

Abbildung 1: Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus. Rechteckige Zelle mit den Abmessungen 100 x 100 x 4 cm³ (𝛤 = 25). Wärmeübertrager an Deckel und Boden in orange. Die UDV-Arrays sind in Schwarz angedeutet und ihr Messfeld in blau/gelb. Das Bild des Strömungsfeldes wurde von Pandey et-al. Nat. Comm. 9, 2118 (2018) übernommen.