Numerical studies of turbulent Rayleigh-Bénard magnetoconvection in rectangular enclosures

Liu, Wenjun GND

Turbulente Magnetokonvektion in Flüssigmetallen wird in geschlossenen rechteckigen Zellen für starke äußere Magnetfelder durch direkte numerische Simulationen untersucht, welche die quasistatische Näherung anwenden. Das Hauptziel ist es, zu verstehen wie der turbulenten Wärme und Impulstransport beeinflusst wird und wie die Konvektionsstrukturen durch die Magnetfelder umorganisiert werden. In dieser Arbeit werden zwei Systeme untersucht, bei denen die turbulente RB-Konvektion in einem horizontalen Magnetfeld bzw. einem vertikalen Magnetfeld erfolgt. Für das System mit einem horizontalen Magnetfeld wird RB-Konvektion bei einer Rayleigh-Zahl von 1e6 in einer Zelle mit quadratischer Grundfläche und einer langen rechteckigen Zelle untersucht. Unterschiedliche Konvektionsregimes werden identifiziert, welche vom Aspektverhältnis und der Stärke des Magnetfelds abhängen. Das bemerkenswerteste Konvektionsregime, das in der Box mit quadratischer Grundfläche beobachtet wird, ist die Umkehrung der Strömung - ein Reorganisationsprozess der rollenartigen Struktur, die durch ein gemäßigtes Magnetfeld eingeschränkt wird. Das Regime zeigt eine interessante Ähnlichkeit mit der großskaligen Intermittenz in einer Kanalströmung mit einem moderaten Magnetfeld in Spannweitenrichtung. Das interessanteste Konvektionsregime in der langen rechteckigen Zelle ist die verdrillte Walzenstruktur, die aus zwei Walzen mit halber Behälterlänge mit unterschiedlichen Ausrichtungen während der Übergangsperiode besteht. Für das System mit einem vertikalen Magnetfeld wird hauptsächlich RB-Konvektion bei einer Rayleigh-Zahl von 1e6 in einer geschlossenen kubischen Zelle und bei einer hohen Rayleigh-Zahl von 1e7 in einer Zelle mit quadratischer Grundfläche beschrieben. Durch eine Fourier-Analyse werden Konvektionsstrukturen mit abnehmender charakteristischer horizontaler Wellenlänge gefunden während Ha zunimmt. Der turbulente Wärmetransport verteilt sich zunehmend auf Strömungsstrukturen, die an den Seitenwänden anliegen. Ähnlich wie bei rotierender RB-Konvektion bestehen die Seitenwandmoden für Ha oberhalb der Chandrasekhar-Grenze fort. Es erfolgt, eine detaillierte Analyse der komplexen Zweischicht-Struktur dieser Seitenwandmoden, ihrer Ausdehnung in das Zellinnere und der daraus resultierenden Zusammensetzung der Seitenwandgrenzschicht, deren Skalierung mit der Shercliff-Schichtdicke erfolgen kann.

Turbulent magnetoconvection in liquid metal is studied in closed rectangular cells for strong external magnetic fields by means of direct numerical simulations which apply the quasistatic approximation. The main aim is to understand how the turbulent heat and momentum transfer is affected and how the convection structures are organized by the magnetic fields. Two systems are investigated that turbulent Rayleigh-Bénard convection (RBC) either in a horizontal magnetic field or in a vertical magnetic field. For the system with a horizontal magnetic field, RBC at a Rayleigh number of 1e6 in two different geometries that a square box and a long rectangular box are studied. Different convection pattern regimes are identified which are related to the aspect ratio and the strength of magnetic field. The most remarkable convection regime observed in the square box is the flow reversals – a reorganization process of roll-like patterns constrained by a moderate magnetic field. The key regime of the flow reversals is the interaction of between the aligned convection rolls and global horizontal circulation caused by the skewed-varicose instability. The regime shows an interesting similarity to the large-scale intermittency in the channel flow with moderate spanwise magnetic field. The most interesting convection regime in the long rectangular box is the twisted roll structure which consists of two half-vessel-length-scale rolls with different orientations during the transition period under a moderate magnetic field. For the system with a vertical magnetic field, turbulent RBC at a Rayleigh number of 1e6 in a cubic cell and at a high Rayleigh number of 1e7 in a larger square box are mainly reported. The most pronounced results come from the latter configuration. By a Fourier analysis, the convection patterns are shown with a decreasing characteristic horizontal wavelength as Ha increases. The turbulent heat transfer, which is investigated in concentric square shells, is found to become increasingly distributed with flow modes that are attached to the side walls. Like rotating RBC, the sidewall modes continue to exist for Ha beyond the Chandrasekhar limit. We report a detailed analysis of the complex two-layer structure of these wall modes, their extension into the cell interior, and a resulting sidewall boundary layer composition that is found to scale with the Shercliff layer thickness.

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Liu, Wenjun: Numerical studies of turbulent Rayleigh-Bénard magnetoconvection in rectangular enclosures. Ilmenau 2019.

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