Stichting FOM

Meer informatie Contactperso(o)n(en): Melissa Vianen 14 juli 2009, 2009/22

Roterende Rayleigh-Bénard convectie toont scherpe overgang tussen verschillende turbulente regimes

Onderzoekers van de Stichting FOM, de Universiteit Twente, de Universiteit van Californië in Santa Barbara (Verenigde Staten) en de Universiteit Eindhoven hebben onderzoek gedaan naar de overgang tussen verschillende turbulente regimes in roterende Rayleigh-Bénard convectie. Het blijkt dat er een zeer scherpe overgang is tussen twee turbulente regimes, een zeldzaam fenomeen aangezien meestal een geleidelijke overgang tussen verschillende turbulente regimes wordt waargenomen. Het onderzoek is een vervolg op een eerder onderzoek waarin met behulp van experimenten en numerieke simulaties (uitgevoerd op het Huygens cluster van SARA) werd aangetoond dat het warmtetransport in een Rayleigh-Bénard systeem tot 30% kan toenemen door rotatie. De visualisatie van de resultaten behaalden in januari van dit jaar de cover van het gerenommeerde tijdschrift Physicial Review Letters. Het tijdschrift publiceert deze week ook de resultaten van het vervolgonderzoek.
Figuur 1a. 3D visualisatie, niet roterend
vergroten Figuur 1a. 3D visualisatie, niet roterend

3D visualisatie van de temperatuur isosurfaces in een niet roterend cilindrisch systeem voor Ra 10^8 en Pr=6.4 (water) waar rood D=0.65 en blauw D=0.35 aangeeft.
Figuur 1b. 3D visualisatie, roterend vergroten Figuur 1b. 3D visualisatie, roterend

3D visualisatie van de temperatuur isosurfaces in een roterend cilindrisch systeem voor Ra 10^8 en Pr=6.4 (water) waar rood D=0.65 en blauw D=0.35 aangeeft.
Figuur 2. De toename van het warmtetransport
vergroten Figuur 2. De toename van het warmtetransport

De toename van het warmtetransport (Nu) als functie van de rotatiesnelheid (1/Ro) voor Ra=2.73·10^8 and Pr = 6.26 (water). De waarde van het warmtetransport is genormaliseerd met de waarde van het warmtetransport zonder rotatie (Nu(0)). De open zwarte vierkanten geven de numerieke resultaten weer en de rode stippen de experimentele resultaten. De verticale lijn geeft de positie van de overgang (1/Ro ).
Een vloeistof tussen twee horizontale wanden, waarbij de onderste wand (D=1) op een hogere temperatuur gehouden wordt dan de bovenste wand (D=0), zal bij voldoende groot temperatuurverschil (Rayleigh (Ra) getal) convectiegedrag vertonen. Vloeistof bij de onderste wand zal warmer en dus lichter worden dan de vloeistof erboven en door zwaartekrachteffecten naar boven bewegen en vice versa. Dit verschijnsel heet Rayleigh-Bénard convectie. Een interessante variatie hierop is als het systeem wordt geroteerd om zijn verticale as. Dit systeem is relevant voor veel astro- en geofysische verschijnselen, zoals convectie in de oceaan, in de buitenste korst van de aarde, binnenin grote gasplaneten en in de buitenste laag van de zon. Daarnaast is het onderzoek ook relevant voor de industrie aangezien de resultaten gebruikt kunnen worden bij het optimaliseren van industriële processen, bijvoorbeeld bij het optimaliseren van een roterende scheidingstechniek om CO uit gassen te halen en in vloeibare vorm af te voeren.

Rotatie veroorzaakt 30% meer warmtetransport in een Rayleigh-Bénard systeem
In januari van dit jaar lieten FOM-promovendus Richard Stevens, Jin-Qiang Zhong en Guenter Ahlers van de Universiteit van Californië in Santa Barbara, Herman Clercx van de Universiteit van Eindhoven, Roberto Verzicco van de 'Tor Vergata' Universiteit in Rome (Italië) en Detlef Lohse van de Universiteit Twente zien dat als de rotatiesnelheid van een Rayleigh-Bénard systeem wordt vergroot, het warmtetransport toeneemt door Ekman pumping: dat wil zeggen dat opstijgende of dalende 'plumes' door de rotatie worden uitgestrekt in verticale vortices die vloeistof bij de bovenste en onderste plaat wegtrekken. Zo wordt het verticale warmtetransport versterkt, voordat het warmtetransport sterk afneemt bij sterke rotatie. Dit proces is weergegeven in de figuren 1a en 1b. De toename in het warmtetransport kan tot 30% bedragen en dit maakt het relevant voor industriële toepassingen.

Scherpe overgang tussen de verschillende turbulente regimes De nieuwe onderzoeksresultaten laten zien dat er een zeer scherpe overgang is tussen de twee regimes die zijn weergegeven in de figuren
1a en 1b. Als er geen rotatie is, is er een convectierol die wordt veroorzaakt door het temperatuurverschil tussen de platen. Bij zwakke rotatie wordt de sterkte van deze convectierol nauwelijks beïnvloed. Maar vanaf een zekere sterkte van de rotatie (Ro ) neemt de kracht van de convectierol sterk af door de competitie met Ekman vortices. Die zorgen voor een groot verticaal transport van vloeistof en dus voor een toename van het warmtetransport. De scherpe overgang als functie van de rotatiesnelheid is zowel in experimenten als in numerieke simulaties aangetoond (zie figuur 2).

Richard Stevens wint Shell Masterprijs 2008
FOM-promovendus Richard Stevens, een van de betrokken onderzoekers, heeft onlangs op basis van de toepasbaarheid van de onderzoeksresultaten voor de optimalisatie van industriële processen de Shell Masterprijs 2008 gewonnen voor zijn Masteronderzoek. De finale vond op 5 maart van dit jaar plaats op de Universiteit Twente. De prijs van EUR 5.000 kreeg Stevens voor zijn onderzoek op het gebied van duurzame energie en werd overhandigd door juryvoorzitter en Rector Magnificus van de Universiteit Twente Ed Brinksma.

Richard Stevens doet onderzoek naar warmtetransport in een roterende turbulente stroming in de groep Physics of Fluids van prof.dr. Detlef Lohse van de Universiteit Twente en de Turbulence and vortex dynamics groep van prof.dr. Herman Clercx en prof.dr.ir. GertJan van Heijst van de Technische Universiteit Eindhoven.

Referenties
(1) Transitions between Turbulent States in Rotating Rayleigh-Bénard Convection, Richard J.A.M. Stevens, Jin-Qiang Zhong, Herman J.H. Clercx, Guenter Ahlers, and Detlef Lohse, Physical Review Letters 103, 023503 (2009).

(2) Prandtl-, Rayleigh-, and Rossby-Number Dependence of Heat Transport in Turbulent Rotating Rayleigh-Benard Convection, Jin-Qiang Zhong, Richard J.A.M. Stevens, Herman J.H. Clercx, Roberto Verzicco, Detlef Lohse and Guenter Ahlers, Physical Review Letters, 102, 044502 (2009).

Meer informatie
Voor meer informatie kunt u terecht bij:
Richard Stevens, Universiteit Twente, telefoon (053) 489 46 82 of (040) 247 52 49 en Melissa Vianen, Stichting FOM, telefoon (030) 600 12 18.