Strömungsstruktur und Wärmetransport in vertikaler Konvektion bei niedrigen Prandtl-Zahlen (DFG VO 2332/4-1)

Durch eine Kooperation des HZDR und des Max-Planck Institut Göttingen (O. Shishkina, theoretische Studien) soll ein signifikanter Fortschritt beim Verständnis der vertikalen, thermischen Konvektion bei sehr niedrigen Prandtl-Zahlen und großen Rayleigh-Zahlen erreicht werden. Diese Art der Konvektion hat große Relevanz für die industrielle Silizium-Kristallzüchtung, bei der Erstarrung von metallischen Gussteilen, der Anwendung von Flüssigmetallen für Hochtemperatur-Wärmetauscher sowie für Absorber von konzentrierter Sonnenstrahlung bei Solarkraftwerken. Darüber hinaus ist diese Kategorie der thermischen Konvektion für das Verständnis von Flüssigmetall-Planetenkernen und Sternen von Bedeutung. Im Rahmen der durchgeführten experimentellen und theoretischen Arbeiten, können numerische Modelle und Simulationen in kritischen und bisher vollkommen unzugänglichen Parameterbereichen validiert, bzw. angepasst und verbessert werden. Die Dresdner Experimente werden mit flüssigem Gallium-Indium-Zinn (GaInSn, Prandtl-Zahl Pr = 0,03) durchgeführt und liefern Informationen über die Rayleigh-Zahl abhängige Skalierung des globalen Wärmetransportes (Nusselt-Zahl, Nu) und des Impulstransports (Reynolds-Zahl, Re). Zudem liefern die Messungen Informationen über das Strömungsfelder bei hohen Rayleigh-Zahlen, welche mit der DNS bei so niedrigen Prandtl-Zahlen nur schwer zu erreichen sind. Die Göttinger DNS liefert vollständige Informationen zu den Geschwindigkeits und Temperaturfeldern gleicher Prandtl-Zahl, jedoch bei niedrigeren Rayleigh-Zahlen als im Experiment. Neben dem Ziel der globalen Beschreibung von konvektionsgetriebenen Strömungsprozessen soll ein kürzlich entwickeltes, analytisches Verfahren der Grenzschichtmodellierung und Skalierung für den mittleren Wärme- und Impulstransport in laminaren Flüssigmetallströmungen auch für den Fall der vollentwickelten turbulenten Konvektionsströmung flüssiger Metalle erweitert werden.

Publikationen:
Zwirner, L., Emran, M. S., Schindler, F., Singh, S., Eckert, S., Vogt, T., & Shishkina, O. Dynamics and length scales in vertical convection of liquid metals. J. Fluid Mech. 932. (2022)