Turbulente thermische convectie in het ultieme regime
Onderzoekers van de Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie en de Universiteit Twente hebben 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.
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.
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.
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 2011 bij FOM 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.
Informatie
Voor meer informatie kunt u contact opnemen met: Richard Stevens of Detlef Lohse.
Over het onderzoek van Richard Stevens:
PRL 1
PRL 2 + FOM-persbericht
PRL 3 + FOM-persbericht
PRL 4 + FOM-persbericht
FOM-persbericht over YES!-fellowship
FOM-persbericht over Da Vinci Prijs 2011
Persbericht over tweede prijs DSM Science & Technology Awards (North) 2012
Referentie
Logarithmic temperature profiles in turbulent Rayleigh-Bénard convection, Guenter Ahlers, Eberhard Bodenschatz, Denis Funfschilling, Siegfried Grossmann, Xiaozhou He, Detlef Lohse, Richard J.A.M. Stevens en Roberto Verzicco, Phys. Rev. Lett. (2012).