Modelos de laboratorio de turbulencia convectiva estilo núcleo planetario
Autores: Hawkins, Emily K.; Cheng, Jonathan S.; Abbate, Jewel A.; Pilegard, Timothy; Stellmach, Stephan; Julien, Keith; Aurnou, Jonathan M.
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2023
Acceso abierto
Artículo científico
2023
Modelos de laboratorio de turbulencia convectiva estilo núcleo planetario
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Mecánica
Palabras clave
Transferencia de calor
Velocidades de flujo
Convección estilo núcleo planetario
Modelos de laboratorio
Convección de Rayleigh-Bénard
Transferencia de momento
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
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Citaciones: Sin citaciones
La conexión entre la transferencia de calor y las velocidades de flujo características de la convección estilo núcleo planetario sigue siendo poco comprendida. Para abordar esto, presentamos modelos de laboratorio novedosos de convección de Rayleigh-Bénard rotativa en los que se miden simultáneamente la transferencia de calor y de momento. Utilizando agua (número de Prandtl, Pr6) y contenedores cilíndricos con relaciones de aspecto de diámetro a altura de 3, 1.5, 0.75, el período de rotación no dimensional (número de Ekman, E) varía entre 10-7E3x10-5 y la fuerza convectiva no dimensional (número de Rayleigh, Ra) oscila entre 107Ra1012. Nuestros datos de transferencia de calor coinciden con los de estudios anteriores y están en gran medida controlados por la dinámica de la capa límite. Utilizamos velocimetría láser Doppler (LDV) para obtener mediciones puntuales experimentales de velocidades axiales a granel, lo que resulta en estimaciones de la transferencia de momento no dimensional (número de Reynolds, Re) con valores entre 4x102Re5x104. No existen transiciones de comportamiento en los datos de velocidad donde ocurren transiciones en los comportamientos de transferencia de calor, lo que indica que la dinámica a granel no está controlada por las capas límite del sistema. En cambio, los datos de LDV coinciden bien con la escala de Coriolis-Inercia-Arquímedes (CIA) sin difusión en el rango de Ra explorado. Además, la escala CIA aproximadamente coescala con la escala Viscosa-Arquímedes-Coriolis (VAC) en el espacio de parámetros estudiado. Explicamos esta observación demostrando que las relaciones VAC y CIA coescalean cuando el número de Reynolds local en el fluido a granel es del orden de la unidad. Concluimos que en nuestros experimentos y en investigaciones de laboratorio y numéricas similares con E10-7, Ra1012, Pr7, la transferencia de calor está controlada por la física de la capa límite mientras que las dinámicas turbulentas cuasi-geostróficas relevantes para los flujos del núcleo existen robustamente en el fluido a granel.
Descripción
La conexión entre la transferencia de calor y las velocidades de flujo características de la convección estilo núcleo planetario sigue siendo poco comprendida. Para abordar esto, presentamos modelos de laboratorio novedosos de convección de Rayleigh-Bénard rotativa en los que se miden simultáneamente la transferencia de calor y de momento. Utilizando agua (número de Prandtl, Pr6) y contenedores cilíndricos con relaciones de aspecto de diámetro a altura de 3, 1.5, 0.75, el período de rotación no dimensional (número de Ekman, E) varía entre 10-7E3x10-5 y la fuerza convectiva no dimensional (número de Rayleigh, Ra) oscila entre 107Ra1012. Nuestros datos de transferencia de calor coinciden con los de estudios anteriores y están en gran medida controlados por la dinámica de la capa límite. Utilizamos velocimetría láser Doppler (LDV) para obtener mediciones puntuales experimentales de velocidades axiales a granel, lo que resulta en estimaciones de la transferencia de momento no dimensional (número de Reynolds, Re) con valores entre 4x102Re5x104. No existen transiciones de comportamiento en los datos de velocidad donde ocurren transiciones en los comportamientos de transferencia de calor, lo que indica que la dinámica a granel no está controlada por las capas límite del sistema. En cambio, los datos de LDV coinciden bien con la escala de Coriolis-Inercia-Arquímedes (CIA) sin difusión en el rango de Ra explorado. Además, la escala CIA aproximadamente coescala con la escala Viscosa-Arquímedes-Coriolis (VAC) en el espacio de parámetros estudiado. Explicamos esta observación demostrando que las relaciones VAC y CIA coescalean cuando el número de Reynolds local en el fluido a granel es del orden de la unidad. Concluimos que en nuestros experimentos y en investigaciones de laboratorio y numéricas similares con E10-7, Ra1012, Pr7, la transferencia de calor está controlada por la física de la capa límite mientras que las dinámicas turbulentas cuasi-geostróficas relevantes para los flujos del núcleo existen robustamente en el fluido a granel.