Stichting FOM
29 november 2010, 2010/44
Systeemgrootte bepaalt overgang turbulente toestanden
Onderzoekers van de Stichting FOM, de Universiteit Twente, de
Technische Universiteit Eindhoven en de Universiteit van Californië in
Santa Barbara (Verenigde Staten) hebben laten zien dat de scherpe
overgang tussen verschillende turbulente regimes ontstaat door de
beperkte grootte van het systeem. Ze lieten eerder al zien dat er twee
verschillende vormen van turbulentie zijn. Dit was groot nieuws, want
wetenschappers hebben altijd gedacht dat er slechts één toestand van
volledig ontwikkelde turbulentie is. De onderzoekers publiceerden hun
nieuwste bevindingen afgelopen vrijdag in het gerenommeerde vakblad
Physical Review Letters.
Figuur 1. Visualisatie van de twee vormen van turbulentie
vergroten Figuur 1. Visualisatie van de twee vormen van turbulentie
De figuur is een weergave van het temperatuurveld in het horizontale
middenvlak van een cilindrische convectiecel en is gebaseerd op de
resultaten van de numerieke simulaties. Rood geeft een warme vloeistof
aan, blauw een koude vloeistof. De linker figuur is bij een lage
rotatiesnelheid vóór de overgang waar de warme opgaande stroming en de
koude neergaande stroming de aanwezigheid van een grote convectie rol
aangeven. De rechter figuur is voor een iets grotere rotatiesnelheid en
ná de overgang, waar veel kleine lokale wervels de stroming domineren.
Rayleigh-Bénard convectie
Een vloeistof tussen twee horizontale platen, waarbij de onderste plaat
op een hogere temperatuur wordt gehouden dan de bovenste, vertoont bij
een voldoende groot temperatuurverschil tussen de platen
convectiegedrag. De vloeistof bij de onderste plaat wordt warmer en dus
lichter dan de vloeistof erboven en beweegt daardoor naar boven. Bij de
bovenste plaat gebeurt het omgekeerde. Dit verschijnsel heet
Rayleigh-Bénard convectie. Om het effect van rotatie op dit
warmtetransport te onderzoeken wordt het systeem om zijn verticale as
gedraaid. "De invloed van de rotatie is relevant voor het beter
begrijpen van veel 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 omdat ook daar
rotatie een belangrijke rol speelt" licht onderzoeker Richard Stevens
toe.
Twee turbulente toestanden
Sinds het baanbrekende werk van Kolmogorov in 1941 hebben
wetenschappers altijd gedacht dat er slechts één toestand van volledig
ontwikkelde turbulentie is. Met behulp van experimenten en numerieke
simulaties van roterende Rayleigh-Bénard convectie hebben de
onderzoekers laten zien dat er in twee verschillende vormen van de
turbulentie zijn: één gedomineerd door een grote convectierol in de
gehele cel bij zwakke rotatie en één gedomineerd door lokale wervels
bij sterke rotatie. Een weergave van de verschillende toestanden,
gebaseerd op de resultaten van simulaties die zijn uitgevoerd als
onderdeel van een DEISA-project op het Huygenscluster van SARA, is te
zien in figuur 1.
Met hun nieuwste bevindingen tonen ze aan dat de overgang van de ene
naar de andere toestand komt door de eindige grootte van het systeem.
Deze resultaten bouwen voort op de bifurcatietheorie voor laag
dimensionale chaos.
Theorie en praktijk
Voor oneindig grote systemen met een eindige rotatiesnelheid bestaat
het regime gedomineerd door de convectierol niet. Alleen in dit -
ideale - geval klopt de aanname van Kolmogorov. Voor echte turbulentie
zijn de effecten, veroorzaakt door de eindige grootte van een systeem,
onvermijdelijk en zijn er dus verschillende toestanden van volledig
ontwikkelde turbulentie, met een scherpe overgang tussen die regimes.
Meer informatie
Bekijk hier een eerder FOM-persbericht over dit onderwerp.
Neem voor meer informatie contact op met Richard Stevens (053) 489 24
87 of Detlef Lohse (053) 489 80 76.
Referentie
S. Weiss, R.J.A.M. Stevens, J.-Q. Zhong, H.J.H. Clercx, D. Lohse & G.
Ahlers, Finite-size effects lead to supercritical bifurcations in
turbulent rotating Rayleigh-Bénard convection, Phys. Rev. Lett. 105,
224501 (2010)