Projektdaten

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Thermische Konvektion bei großen Aspektverhältnissen

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Klima und Wetter auf der Erde werden maßgeblich durch thermische Konvektionsströmungen beeinflusst, die sich in vergleichsweise flachen Fluidschichten, wie der Erdatmosphäre oder den Erdmeeren ausbilden. Diese und viele andere natürliche und technische Konvektionsströmungen weisen ein Aspektverhältnisse \Gamma - das ist das Verhältnis von lateraler zu vertikale Ausdehnung - von einigen Tausend auf. Phänomenologische Theorien zum konvektiven Wärmetransport basieren auf dieser Annahme und treffen Vorhersagen, die streng genommen nur für derartige, lateral unendlich ausgedehnte Systeme gültig sind. Die experimentelle und numerische Evaluierung dieser Theorien erfolgt jedoch insbesondere im Bereich hoher Rayleighzahlen nahezu ausschließlich in Geometrien mit einem Aspektverhältnis kleiner oder gleich eins, bei dem die Seitenwände einen nicht unerheblichen Einfluss auf das Strömungsfeld und damit auch auf den turbulenten Energietransport haben. Im beantragten Projekt sollen deshalb der konvektive Wärmestrom und die Dissipationsrate in turbulenter Rayleigh-Bénard-Konvektion (Ilmenauer Fass) bei großem Aspektverhältnis und gleichzeitig hoher Rayleighzahl gemessen werden. Erstmalig soll dabei der konvektive Wärmestrom an den Oberflächen von Heiz- und Kühlplatte direkt und ohne den Einfluss von seitlichen Wänden gemessen werden. Dies ist ein deutlicher, qualitativer Fortschritt gegenüber bisherigen Messungen, bei denen diese Größe in der Regel aus der in das System eingespeisten Heizleistung ermittelt wird. Ergänzend dazu wollen die Antragsteller mittels einer miniaturisierten Sonde mit vier ultrakleinen Thermistoren in einer kartesischen Anordnung auch die thermische Dissipationsrate messen. Aufgrund der Größe der experimentellen Anlage, das Ilmenauer Fass misst sieben Meter im Durchmesser, können auch die kleinsten dissipativen Strukturen im Bereich der Kolmogorov Längenskala \eta=1,1mm und der Kolmogorov-Zeitskala \tau_eta=76ms aufgelöst und phänomenologische Skalentheorien zum Wärmetransport direkt validiert werden. Als besonderes Highlight des Projektes ist geplant, dass Ilmenauer Fass mit Schwefelhexafluorid zu füllen und damit erstmalig bei einem Aspektverhältnis von \Gamma=8 Rayleighzahlen in der Größenordnung von Ra=10^11 zu erreichen.