Coherent structures in turbulent Rayleigh-Bénard convection
Kohärente Strukturen in turbulenter Rayleigh-Bénard Konvektion
von Tomi Haramina
Datum der mündl. Prüfung:2006-01-05
Erschienen:2006-01-17
Betreuer:Prof. Dr. Andreas Tilgner
Gutachter:PD Dr. Martin Rein
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Format:PDF
Description:Dissertation
Zusammenfassung
Englisch
Coherent structures on different length scales are investigated in turbulent Rayleigh-Bénard convection. In thermal boundary layers a previously unknown type of coherent structures is discovered using an electro-chemical visualization method developed for this purpose. It is shown that dye initially uniformly distributed over a plate accumulates in streaks which are aligned with the large scale mean flow ( wind ). Possible mechanisms for the formation of streaks are discussed. In the bulk coherent structures are investigated by means of spatial temperature correlation measurement along the vertical axes of the cell as well as by visualization using thermochromic liquid crystals. Two distinctive length scales are detected using the correlation measurement and it is shown by visualization that these two scales correspond to two types of coherent structures - plumes and eddies, whose length scales differ by an order of magnitude. Finally, the influence of the container shape (a cube and a cylinder) on the large scale mean flow is investigated using both visualization and measurements of temperature fluctuations in the convection cells. It is shown that depending on the container shape different time scales are imposed on the large scale flow and that as a consequence the temperature fluctuations in the cell centers significantly differ despite the fact that Rayleigh and Prandtl numbers and aspect ratios are identical.
Keywords: Rayleigh-Bénard convection; thermal convection; coherent structures; streaks; plumes; boundary layers
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In turbulenter Rayleigh-Bénard-Konvektion werden kohärente Strukturen auf verschiedenen Längenskalen untersucht. In der thermischen Grenzschicht wurden mittels einer elektrochemischen Visualisierungsmethode bisher unbekannte kohärente Strukturen gefunden. Es wird gezeigt, dass sich anfangs gleichmäßig über der Platte verteilte Farbe in Streifen (engl. Streaks ) ansammelt, welche sich nach der großskaligen Strömung (dem Wind ) ausrichten. Mögliche Mechanismen zur Bildung solcher Streifen werden diskutiert. Die kohärenten Strukturen im Innern (außerhalb der Grenzschicht) werden sowohl mit räumlichen Temperatur-Korrelations-Messungen längs der vertikalen Mittelachse der Zelle sowie durch die Sichtbarmachung der Strömung mittels Thermokristallen untersucht. Dabei werden zwei verschiedene Längenskalen mit den Korrelationsmessungen gefunden und es wird gezeigt, dass diese beiden Skalen mit den beiden kohärenten Strukturen - Plumes und Wirbeln - korrespondieren, deren Längenskalen sich um eine Größenordnung unterscheiden. Schließlich wird der Einfluss der Zellgeometrie (Würfel und Zylinder) auf die großskalige Strömung mittles Visualisierung und Messung der Temperaturschwankungen in der Konvektionszelle untersucht. Es wird gezeigt, dass abhängig von der Zellform verschiedene Zeitskalen die Gesamtströmung beeinflussen und daraus resultierend die Temperaturfluktuationen im Zellinneren sich maßgeblich unterscheiden, obwohl Rayleigh- und Prandtlzahl sowie Aspektverhältnis identisch sind.
Schlagwörter: Rayleigh-Bénard Konvektion; thermische Konvektion; kohärente Strukturen; Streaks; Streifen; Plumes; Grenzschicht