Stichting FOM 19 juli 2010, 2010/26

Omkering van de stroming in thermisch gedreven turbulentie

Onderzoekers van de Stichting FOM, de Universiteit Twente, de Universiteit van Hong Kong (China), de Universiteit van Tokyo (Japan), en de Universiteit van Marburg (Duitsland) hebben met behulp van experimenten en numerieke simulaties (deels uitgevoerd op het Huygens cluster van SARA) laten zien dat de stroming in tweedimensionale Rayleigh-Bénard convectie spontaan kan omdraaien door de invloed van de stroming in de hoeken van de bak. De bevindingen van de onderzoekers zijn op 16 juli gepubliceerd in het gerenommeerde vakblad Phyical Review Letters.
vergroten Figuur 1. De resultaten van experimenten en numerieke simulaties

Zie het artikel voor het bijschrift bij figuur 1. Een vloeistof tussen twee horizontale wanden, waarbij de onderste wand op een hogere temperatuur gehouden wordt dan de bovenste wand, zal bij voldoende groot temperatuurverschil convectiegedrag vertonen. Vloeistof bij de onderste wand zal warmer en dus lichter worden dan de vloeistof erboven en door zwaartekrachtseffecten naar boven bewegen en vice versa. Dit verschijnsel heet Rayleigh-Bénard convectie. Dit systeem is relevant voor veel astro- en geophyische verschijnselen, zoals convectie in de oceaan, in de buitenste wand van de aarde, binnenin grote gasplaneten, en in de buitenste laag van de zon. In deze systemen worden spontane draaiingen van de stroming waargenomen, die worden geassocieerd met de omdraaiing van het aardmagnetisch veld.

FOM-promovendus Richard Stevens, Kazuyasu Sugiyama van de Universiteit van Tokyo (Japan), Tak Shing Chan, Sheng-Qi Zhou, Heng-Dong Xim, en Ke-Qing Xia van de Universiteit van Hong Kong (China), Siegfried Grossmann van de Universiteit van Marburg (Duitsland), en Chao Sun en Detlef Lohse van de Universiteit Twente laten zien dat de stroming in tweedimensionaal Rayleigh-Bénard spontaan kan omdraaien door de invloed van de stroming die ontstaat in de hoeken van de bak. Het blijkt dat de stroming in de hoeken langzaam in energie toeneemt totdat deze sterk genoeg is om ervoor te zorgen dat de grote circulatie in de bak wordt doorbroken en de stroming in de bak omdraait. De frequentie van de omdraaiingen hangt af van de snelheid waarmee de stroming in de hoeken aan energie kan winnen en dit wordt bepaald door de eigenschappen van de vloeistof (het Prandtl (Pr) getal) en het temperatuurverschil tussen de platen (het Rayleigh (Ra) getal). Tevens blijkt dat voor bepaalde combinaties van Ra en Pr geen omdraaiing van de stroming plaatsvindt, omdat de stroming in de hoeken dan niet aan energie kan winnen.

Bijschrift bij figuur 1.
De figuren a, b, en c laten de resultaten zien van numerieke simulaties voor Ra=10^8 en Pr=4.3. Deze figuren laten een visualisatie van de temperatuur (kleur) en snelheid (pijltjes) zien vlak voordat de stroming omdraait (figuur a), tijdens het omdraaien van de stroming (figuur b) en net na het omdraaien van de stroming (figuur c). De figuren e, f, en g, laten de resultaten van experimenten voor Ra=3.8x10^8 en Pr=5.7 zien. Deze figuren laten een visualisatie van de temperatuur (kleur) en snelheid (pijltjes) zien vlak voordat de stroming omdraait (figuur e), tijdens het omdraaien van de stroming (figuur f) en net na het omdraaien van de stroming (figuur g).

Referentie
Flow Reversals in Thermally Driven Turbulence , Kazuyasu Sugiyama^1,3, Rui Ni^2, Richard J.A.M. Stevens^1, Tak Shing Chan^1,2, Sheng-Qi Zhou^2, Heng-Dong Xi^2, Chao Sun^1,2, Siegfried Grossmann^4, Ke-Qing Xia^2, and Detlef Lohse^1, Phys. Rev. Lett. 105, 034503 (2010): http://prl.aps.org/abstract/PRL/v105/i3/e034503.


1 Physics of Fluids, University of Twente, The Netherlands
2 Department of Physics, The Chinese University of Hong Kong, China
3 Department of Mechanical Engineering, School of Engineering, The University of Tokyo, Japan

4 Fachbereich Physik, Marburg, Germany

Informatie
Voor meer informatie kunt contact opnemen met:
Richard Stevens, Universiteit Twente, telefoon (053) 489 2487 Detlef Lohse, Universiteit Twente, d.lohse@utwente.nl, telefoon (053) 489 8076.

^