Beter begrip mechanismen in atmosfeer en oceanen
Onderzoekers van de Physics of Fluids groep (MESA+) hebben samen met een internationaal onderzoeksteam aangetoond dat het verticale temperatuurprofiel dicht bij de zijwand in Rayleigh-Bénard convectie logaritmisch varieert met de afstand ten opzichte van de horizontale plaat in het 'klassieke' en 'ultieme regime'. Dit is belangrijk nieuws aangezien algemeen werd aangenomen dat in het klassieke regime de temperatuur in het midden van de bak constant is of dat er slechts sprake was van een zwakke lineaire temperatuurgradiënt. Deze nieuwe inzichten dragen bij aan het begrip van convectie in natuurlijke systemen, zoals de atmosfeer en oceanen. De onderzoekers publiceren hun laatste bevindingen in het gerenommeerde tijdschrift Physical Review Letters op 3 september 2012.
Convectie
Een vloeistof tussen twee horizontale platen, waarbij de onderste plaat op een hogere temperatuur wordt gehouden dan de bovenste plaat, zal convectiegedrag laten zien wanneer het temperatuurverschil tussen de platen hoog genoeg is. De vloeistof vlakbij de onderste plaat wordt opgewarmd en dus lichter dan de vloeistof erboven, waardoor deze opwaarts stroomt. Het omgekeerde gebeurt bij de bovenplaat. Dit verschijnsel heet Rayleigh-Bénard convectie. Als het Rayleigh-getal (het dimensieloze temperatuurverschil tussen de platen) zeer hoog is, dan spreekt men over ultieme Rayleigh-Bénard convectie en in dit regime zijn de grenslagen bij de horizontale platen turbulent. Volledig inzicht in de fysica van dit systeem is van belang om natuurverschijnselen, zoals convectie in de atmosfeer en de oceanen, beter te begrijpen.
Het Rayleighgetal ‘Ra’. In het klassieke regime is het Rayleighgetal (het dimensieloze temperatuurverschil tussen de horizontale platen) hoog genoeg om te zorgen dat de stroming in het midden van de bak turbulent is, maar de stroming dichtbij de wanden is dat dan nog niet. In het ultieme regime is ook de stroming dichtbij de wanden turbulent. Het is zeer moeilijk om experimenten uit te voeren in het ultieme regime. De experimenten die hier zijn uitgevoerd zijn de eerste die hier zijn uitgevoerd zijn de eerste waarin het ultieme regime duidelijk te zien is. Daarnaast is het Rayleigh-getal in deze computersimulatie het hoogste dat ooit in een dergelijke simulatie is bereikt.
Temperatuurprofielen
In het 'ultieme' regime neemt het warmtetransport als functie van Rayleigh getal sneller toe dan in het 'klassieke' regime, waar het temperatuurverschil tussen de horizontale platen lager is. Theoretisch heeft men aangetoond dat het ultieme regime moet beginnen wanneer de grenslagen bij de horizontale platen turbulent worden, terwijl (dus voor lagere Rayleigh) de grenslagen zich in het klassieke regime laminair gedragen. Daarom zou een overgang naar het ultieme regime zichtbaar moeten zijn in de verticale temperatuurprofielen. Zeer moderne grootschalige experimenten die zijn uitgevoerd in Göttingen hebben dichtbij de zijwand de aanwezigheid van logaritmische temperatuurprofielen, die typerend zijn voor turbulente grenslagen, aangetoond in het ultieme regime. Maar, interessant genoeg hebben de experimenten en grote computersimulaties een soortgelijk, maar zwakker, logaritmisch temperatuurprofiel vlakbij de zijwand gevonden in het klassieke regime. Verder onderzoek naar deze observatie is nodig om dit fenomeen volledig te begrijpen en de mogelijke gevolgen hiervan voor de geldigheid van huidige theorieën.
Visualisatie van het temperatuurveld in een verticale dwarsdoorsnede van een Rayleigh-Bénard bak. Verkregen uit een computersimulatie met Pr=0.7 (lucht) bij Ra=2* 1012. De rode gebieden geven aan waar warme lucht omhoog gaat en de blauwe gebieden waar koude lucht omlaag gaat. De simulatie is de grootste computersimulatie ter wereld van een turbulente stroming een volledig afgesloten ruimte, op een raster van 2701x671x2501 punten in de azimutale, radiale en axiale richting.
EUROTHERM Young Scientist Prize 2012
Onlangs heeft voormalig FOM-oio dr. Richard Stevens de EUROTHERM Young Scientist Prize 2012 ontvangen. EUROTHERM bevordert en stimuleert Europese samenwerking in 'Thermal Sciences en Heat Transfer door wetenschappers en ingenieurs die werkzaam zijn in deze gespecialiseerde gebieden bijeen te brengen. Stevens promoveerde op 30 juni 2012 aan de Universiteit Twente op het proefschrift 'Rayleigh-Bénard turbulentie' en werkt nu aan de Johns Hopkins University in Baltimore met een YES!-fellowship van FOM.
Sinds 1992 wordt de EUROTHERM Young Scientist Prize eens in de vier jaar toegekend aan het beste proefschrift op het gebied van thermische wetenschappen en warmtetransport en is bedoeld om jonge wetenschappers te stimuleren in deze onderzoeksrichting. De EUROTHERM Young Scientist Prize 2012 zal worden uitgereikt op de 6e Europese thermische wetenschappen conferentie die gehouden zal worden in Futuroscope, Poitiers op 3-8 september 2012.
Het artikel ‘Logarithmic profiles in turbulent Rayleigh-Bénard convection’, door Guenter Ahlers, Eberhard Bodenschatz, Denis Funfschilling, Siegfried Grossman, Xiaozhou He, Detlef Lohse, Richard Steven en Roberto Verzicco’ verscheen in Physical Review Letters van 3 sept. 2012.
Dit bericht is gebaseerd op een persbericht van de Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM) die het onderzoek financiert.
