Characterization and first results from LACIS-T: a moist-air wind tunnel to study aerosol-cloud-turbulence interactions. - In: Atmospheric measurement techniques, ISSN 1867-8548, Bd. 13 (2020), 4, S. 2015-2033
The interactions between turbulence and cloud microphysical processes have been investigated primarily through numerical simulation and field measurements over the last 10 years. However, only in the laboratory we can be confident in our knowledge of initial and boundary conditions and are able to measure under statistically stationary and repeatable conditions. In the scope of this paper, we present a unique turbulent moist-air wind tunnel, called the Turbulent Leipzig Aerosol Cloud Interaction Simulator (LACIS-T) which has been developed at TROPOS in order to study cloud physical processes in general and interactions between turbulence and cloud microphysical processes in particular. The investigations take place under well-defined and reproducible turbulent and thermodynamic conditions covering the temperature range of warm, mixed-phase and cold clouds (25 ˚C > T > 40 ˚C). The continuous-flow design of the facility allows for the investigation of processes occurring on small temporal (up to a few seconds) and spatial scales (micrometer to meter scale) and with a Lagrangian perspective. The here-presented experimental studies using LACIS-T are accompanied and complemented by computational fluid dynamics (CFD) simulations which help us to design experiments as well as to interpret experimental results. In this paper, we will present the fundamental operating principle of LACIS-T, the numerical model, and results concerning the thermodynamic and flow conditions prevailing inside the wind tunnel, combining both characterization measurements and numerical simulations. Finally, the first results are depicted from deliquescence and hygroscopic growth as well as droplet activation and growth experiments. We observe clear indications of the effect of turbulence on the investigated microphysical processes.
https://doi.org/10.5194/amt-13-2015-2020
Lagrangian perspectives on turbulent superstructures in Rayleigh-Bénard convection. - In: Proceedings in applied mathematics and mechanics, ISSN 1617-7061, Bd. 19 (2019), 1, e201900201, insges. 2 S.
https://doi.org/10.1002/pamm.201900201
Decay of turbulence in a duct with transverse magnetic field. - In: Conference proceedings, PAMIR 2019, Reims, (2019), S. 120-124
Decay of honeycomb-generated turbulence in a duct with a static transverse magnetic field is studied via high-resolution direct numerical simulations. The simulations follow the experimental study [1], in particular the paradoxical observation of high-amplitude velocity fluctuations, which exist in the downstream portion of the flow when the strong transverse magnetic field is imposed in the entire duct including the honeycomb exit, but not in other configurations. It is shown that the fluctuations are caused by the large-scale quasi-two-dimensional structures forming in the flow at the initial stages of the decay and surviving the magnetic suppression. The study demonstrates that turbulence decay in the presence of a magnetic field is a complex phenomenon critically depending on the state of the flow at the moment the field is introduced.
MHD Taylor-Couette flow with insulating walls at low magnetic Reynolds number. - In: Conference proceedings, PAMIR 2019, Reims, (2019), S. 111-115
Instabilities in mixed convection at moderate and strong magnetic fields. - In: Conference proceedings, PAMIR 2019, Reims, (2019), S. 82-86
Turbulent Rayleigh-Bénard convection in strong vertical magnetic field. - In: Conference proceedings, PAMIR 2019, Reims, (2019), S. 27-31
Rayleigh-Bénard convection in a vertical magnetic field at low Prandtl number. - In: Conference proceedings, PAMIR 2019, Reims, (2019), S. 2-7
Thermal convection experiments in liquid metal flows with and without magnetic field. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2019. - 1 Online-Ressource (x, 113 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2019
Die Wechselwirkung zwischen elektrisch leitfähigen Fluiden und Magnetfeldern tritt in zahlreichen natürlichen Phänomenen und technischen Anwendungen auf. Weil die dabei relevanten Medien - meist Flüssigmetalle oder Plasmen - im Allgemeinen sehr heiß sind, werden die Strömungen meist von thermischer Konvektion begleitet oder werden sogar von dieser getrieben. Das Phänomen der sogenannten Magnetokonvektion ist damit von Interesse für eine große Anzahl physikalischer Systeme. Die vorliegende Arbeit untersucht hierbei zwei Aspekte. Zum einen wird der Fall betrachtet, wenn ein aufgeprägtes Magnetfeld das Strömungsfeld nicht verändert. Zum anderen werden die Modifizierungen von Strömungsstruktur und globalen Transporteigenschaften durch starke Magnetfelder untersucht. Der erste Fall ist wichtig für induktive Messtechniken, welche die Bewegung eines Mediums untersuchen müssen, ohne dieses dabei zu stören. Die Größe des Fluidvolumens, welches von einem örtlich begrenzten Magnetfeld beeinflusst wird, ist hier ein äußerst wichtiger Faktor. Dieses Thema wird untersucht, indem die Eindringtiefe des Magnetfeldes in das Medium theoretisch hergeleitet wird. Das erlaubt die Vorhersage einer Magnetfeldstärke, oberhalb derer eine Strömung maßgeblich gestört wird. Die theoretischen Ergebnisse werden mittels experimenteller Messungen überprüft. Dazu wird die Messmethode der lokalen Lorentzkraft-Anemometrie auf eine vertikale Konvektionsströmung angewandt. Für den zweiten Fall wird das System der Rayleigh-Bénard Konvektion unter einem homogenen, vertikalen Magnetfeld experimentell untersucht. Der Aufbau besteht aus einer zylindrischen Zelle mit einem Aspektverhältnis von eins. Die großskalige Struktur der Strömung wird mittels Temperaturmessungen und Ultraschall Doppler Anemometrie überwacht. Die Entwicklung der Strömung mit ansteigender Magnetfeldstärke kann in verschiedene Regime kategorisiert und mit theoretischen Vorhersagen sowie numerischen Simulationen verglichen werden. Globale Transporteigenschaften des Systems bezüglich Impuls und übertragener Wärme werden analysiert und ihr Verhalten anhand der zuvor gefundenen Strömungsregime interpretiert. Zusätzlich wird ein theoretisches Modell entwickelt um den turbulenten Wärme- und Impulstransport vorherzusagen. Dazu wird die Großmann-Lohse Theorie für klassische Rayleigh-Bénard Konvektion durch den Effekt eines vertikalen Magnetfeldes erweitert. Die experimentellen Daten aus der vorliegenden Arbeit und aus der Literatur werden genutzt, um dieses Modell zu verifizieren und zu optimieren. Dabei werden physikalische Prozesse identifiziert, welche maßgeblich zu den beobachteten Ergebnissen beitragen.
https://www.db-thueringen.de/receive/dbt_mods_00040236
Decay of turbulence in a duct with transverse magnetic field. - In: ASME digital collection, (2019), AJKFluids2019-4688, V001T01A063, 5 pages
https://doi.org/10.1115/AJKFluids2019-4688
Lagrangian coherent sets in turbulent Rayleigh-Bénard convection. - In: Physical review, ISSN 2470-0053, Bd. 99 (2019), 5, 053103, insges. 15 S.
Coherent circulation rolls and their relevance for the turbulent heat transfer in a two-dimensional Rayleigh-Bénard convection model are analyzed. The flow is in a closed cell of aspect ratio four at a Rayleigh number Ra = 10^6 and at a Prandtl number Pr = 10. Three different Lagrangian analysis techniques based on graph Laplacians (distance spectral trajectory clustering, time-averaged diffusion maps, and finite-element based dynamic Laplacian discretization) are used to monitor the turbulent fields along trajectories of massless Lagrangian particles in the evolving turbulent convection flow. The three methods are compared to each other and the obtained coherent sets are related to results from an analysis in the Eulerian frame of reference. We show that the results of these methods agree with each other and that Lagrangian and Eulerian coherent sets form basically a disjoint union of the flow domain. Additionally, a windowed time averaging of variable interval length is performed to study the degree of coherence as a function of this additional coarse graining which removes small-scale fluctuations that cause trajectories to disperse quickly. Finally, the coherent set framework is extended to study heat transport.
https://doi.org/10.1103/PhysRevE.100.053103