Coherent structures in turbulent Rayleigh-Bénard convection

Abstract

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.