Transition to turbulence in liquid metal flow exposed to magnetic field. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2016. - 1 Online-Ressource (iv, 187 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2016
Flüssigmetallströmungen interagieren mit Magnetfeldern unter dem Einfluss der Lorentzkraft. Diese Wechselwirkung kann sowohl die Magnetfelder, als auch die Flüssigmetallströmungen signifikant verändern. Ersteres tritt in geo- und astrophysikalischen Dynamos auf. Der letztgenannte Effekt ist bei Anwendungen in elektromagnetischen Pumpen für Flüssigmetalle, in elektromagnetischen Rührern, bei Durchflussmessungen, bei der Strömungsstabilisierung und bei der Kühlung von Fusionsreaktoren zu beobachten bzw. wird dort genutzt. Auch Untersuchungen von großen Naturphänomenen wie Tornados befassen sich mit den Wechselwirkungen von Magnetfeldern und Fluidströmungen. Die Kenntnis des Strömungsverhaltens ist für eine Verbesserung der o.g. Applikationen wesentlich. Die vorliegende Dissertationsschrift ist in diesem Umfeld positioniert und leistet einen Beitrag zur Erweiterung des Wissens über die auftretenden Grundphänomene. Im Fokus der Arbeit stehen zwei Grundlagenexperimente zu magnetohydrodynamischen Kanalströmungen. Im ersten Experiment wird Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung in einem flachen Flüssigmetallkanal hinter einem, unterhalb des Kanals montierten, Permanentmagneten untersucht. Es handelt sich um eine nominell zweidimensionale Strömung mit starker transversaler Variation des Magnetfeldes in einer instationären Strömung. Die Reihenfolge von Instabilitäten in der magnetischen Nachlaufströmung, als Folge zunehmender Lorentzkräfte, sowie die Wirbeldynamik oberhalb des Magneten werden untersucht. Dies wird durch eine Anwendung von klassischer Fototechnik und einer quantitativen Analyse der Wirbelgröße in Verbindung mit der Bestimmung ihres Erscheinungszeitpunktes erreicht. Die Geschwindigkeits- und Temperaturfelder an der Oberfläche des Flüssigmetalls werden dagegen mit Hilfe von neu entwickelten Techniken aufgezeichnet. Im zweiten Experiment wird das lineare Stabilitätsproblem einer elektromagnetisch angetriebenen Strömung in einem ringförmigen Kanal, welcher einem homogenen Magnetfeld ausgesetzt wird, analysiert. Untersucht werden die entstehenden azimutalen Strömungen in einem kleinen ringförmigen Kanal, welcher isolierende Wände senkrecht und elektrisch-leitende Wände parallel zu einem axialen Magnetfeld besitzt. Diese eher einfache Testeinrichtung wird als Ausgangspunkt für den Entwurf eines wissenschaftlich zuverlässigen großen Ringkanals verwendet. Dieser wiederum ist geeignet, um Betrachtungen zum Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung, sowie zum Auftreten sogenannter intermittierender Strömungen anzustellen. Anzustreben ist ein Kanal mit größtmöglichen Außenradius und Kanalhöhe, bei gleichzeitig schmalster Kanalbreite. Auch die Variationsmöglichkeit des Seitenverhältnisses ist für die Untersuchungen vorteilhaft. Die Anwendbarkeit von UDV Geschwindigkeitsprofilmessung (Ultrasound Doppler Velocimetry), welche nachgewiesen wurde, war der Schwerpunkt für dieses zweite Experiment. Eine weitere Messmethode basierte auf dem Einsatz von Potentialsonden zur Geschwindigkeitsmessung (Potential Drop Velocimetry) im Kanal. Die Ergebnisse, basierend auf Messungen am Versuchskanal, waren robust bezüglich technologisch bedingter Herstellungs- und Montageungenauigkeiten.
http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2016000873
Transitional boundary layers in low-Prandtl-number convection. - In: Physical review fluids, ISSN 2469-990X, Bd. 1 (2016), 8, 084402, insges. 19 S.
https://doi.org/10.1103/PhysRevFluids.1.084402
Supercomputing studies in turbulent Rayleigh-Bénard convection: challenges and perspectives. - In: NIC Symposium 2016, (2016), S. 381-388
Massively parallel supercomputations are an important analysis tool to study the fundamental local and global mechanisms of heat and momentum transfer in turbulent convection. Rayleigh-Bénard convection, which evolves in a fluid layer that is uniformly heated from below and cooled from above, is the simplest setting for a buoyancy-driven turbulent flow and thus a paradigm for many turbulent flows in nature and technology. We discuss two topics of this vital field of fundamental turbulence research - large-scale pattern formation in the turbulent regime and convection at very low Prandtl number.
Large-scale structures in the temperature field in turbulent Rayleigh-Bénard convection. - In: 80th Annual Meeting of the DPG and DPG-Frühjahrstagung (Spring Meeting) of the Condensed Matter Section (SKM), (2016), DY 57.11, insges. 1 S.
Numerical simulations of MHD flow transition in ducts with conducting Hartmann walls : Limtech Project A3 D4 (TUI). - Karlsruhe : KIT Scientific Publishing. - 1 Online-Ressource (X, 107 Seiten). - (KIT scientific reports ; 7713) ISBN 978-3-7315-0562-4
Literaturverzeichnis: Seite 23-24
http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:0072-577449
Hartmann duct flow at moderate magnetic Reynolds numbers. - In: Proceedings in applied mathematics and mechanics, ISSN 1617-7061, Bd. 16 (2016), 1, S. 577-578
http://dx.doi.org/10.1002/pamm.201610277
Simulation and analysis of turbulent MHD channel flow with a streamwise magnetic field. - In: Proceedings in applied mathematics and mechanics, ISSN 1617-7061, Bd. 16 (2016), 1, S. 631-632
http://dx.doi.org/10.1002/pamm.201610304
Heat and momentum transfer for magnetoconvection in a vertical external magnetic field. - In: Physical review, ISSN 2470-0053, Bd. 94 (2016), 4, 043108, insges. 7 S.
The scaling theory of Grossmann and Lohse [J. FluidMech. 407, 27 (2000)] for turbulent heat and momentum transfer is extended to the magnetoconvection case in the presence of a (strong) vertical magnetic field. A comparison with existing laboratory experiments and direct numerical simulations in the quasistatic limit allows us to restrict the parameter space to very low Prandtl and magnetic Prandtl numbers and thus to reduce the number of unknown parameters in the model. Also included is the Chandrasekhar limit, for which the outer magnetic induction field B is large enough such that convective motion is suppressed and heat is transported by diffusion. Our theory identifies four distinct regimes of magnetoconvection that are distinguished by the strength of the outer magnetic field and the level of turbulence in the flow, respectively.
https://doi.org/10.1103/PhysRevE.94.043108
Secondary optimal energy growth and magnetic damping of turbulence in Hartmann channel flow. - In: European journal of mechanics, ISSN 1873-7390, Bd. 60 (2016), S. 209-218
The transient amplification of secondary linear perturbations in Hartmann channel flow is investigated. Optimal linear growth on either antisymmetric or symmetric streaky base flow is calculated by iteratively solving the direct and adjoint governing equations. The result shows that there is still residual interaction between the top and bottom Hartmann layer at relatively large Hartmann number. Strong amplification of secondary perturbations due to inflectional instability of modulated Hartmann channel flow is observed when the primary perturbations have a sufficiently large amplitude. The characteristic streamwise wavelength of the secondary perturbation is finite and scales with the thickness of the Hartmann layer. For weak modulation of the basic flow by the streaks, the secondary perturbations are streamwise independent vortices that resemble the primary optimal perturbations. The influence of the magnetic field is examined by means of the perturbation energy budgets, and the Joule dissipation turns out to be weak compared with the viscous dissipation. The secondary instability is therefore similar to that of an asymptotic suction boundary layer. Only for the mean velocity profile the Lorentz force is decisive. The weak influence of the magnetic field on the dynamics within Hartmann layer is verified by additional direct numerical simulations where the Lorentz force is only taken into account in the mean streamwise momentum equation. The results are close to full simulations of turbulent Hartmann flow, and the differences reduce with growing Reynolds number RR based on the Hartmann layer thickness.
http://dx.doi.org/10.1016/j.euromechflu.2016.06.008
Extreme dissipation event due to plume collision in a turbulent convection cell. - In: Physical review, ISSN 2470-0053, Bd. 94 (2016), 4, 043104, insges. 8 S.
An extreme dissipation event in the bulk of a closed three-dimensional turbulent convection cell is found to be correlated with a strong reduction of the large-scale circulation flow in the system that happens at the same time as a plume emission event from the bottom plate. The reduction in the large-scale circulation opens the possibility for a nearly frontal collision of down- and upwelling plumes and the generation of a high-amplitude thermal dissipation layer in the bulk. This collision is locally connected to a subsequent high-amplitude energy dissipation event in the form of a strong shear layer. Our analysis illustrates the impact of transitions in the large-scale structures on extreme events at the smallest scales of the turbulence, a direct link that is observed in a flow with boundary layers. We also show that detection of extreme dissipation events which determine the far-tail statistics of the dissipation fields in the bulk requires long-time integrations of the equations of motion over at least a hundred convective time units.
https://doi.org/10.1103/PhysRevE.94.043104