Cryogenic turbulent convection at high Ra numbers

Turbulence at large-scale natural convection is a topical problem. Even in the simplest case of natural convection (Rayleigh-Benard convection), the published results on measured Nusselt number Nu at high Rayleigh numbers Ra contradict each other and are inconsistent with numerical solutions. Behaviour of the main circulations (law and reasons of the wind reversals) and the fluid near boundaries at high Ra are not described enough or are unknown. In laboratory, the values of Ra characteristic for processes in atmosphere are attainable when using cold helium gas (5 - 10 K).  The goal: contribute to the understanding of physical principles of unsolved problem of turbulence. Method: experimental study of natural convection using cold helium gas with emphasis on structure of convection  flow.

Supervisors:

Notes:
Experimental work will be done in laboratory of the “Group of cryogenics and supraconductivity” at the Institute of Scientific Instruments AVČR, v.v.i. Student succesfully collaborating with the “Group”  will be offered to be employed partly at ISI. 
Equipment at the disposal: a cryostat with convection cell for gaseous He ( 5-12 K, < 0.25 Mpa), pressure and temperature sensors for measurement of Nu and Ra, local temperatures, their fluctiations and velocity of He. Collaboration:  Department of low temperature physics, Chales University Prague (prof.Skrbek) and NÉEL CNRS, France (P.-E. Roche). Supported by grant: „Elucidation of fundamental questions in turbulent convection  “, GAAV CR KJB200650902.

"Kryogenní turbulentní konvekce při extrémních hodnotách Rayleighova čísla"

Chování přirozené konvekce a s ní spojených turbulencí ve velkých měřítcích, jež mají mimo jiné zásadní vliv na klimatické změny na Zemi, představuje aktuální výzkumný problém. I v nejjednodušším případě konvekce (Rayleighovy – Bénardovy) jsou publikované výsledky měření Nusseltova čísla Nu při vysokých Rayleighových číslech Ra ve vzájemném rozporu, není dostatečně popsáno chování hlavního konvekčního proudu (zákonitosti a příčiny jeho zvratů) a chování tekutiny v blízkosti hranic (v mezních vrstvách). K vysokým hodnotám Ra charakteristickým např. pro děje v atmosféře se lze v laboratorních podmínkách přiblížit použitím plynného helia ochlazeného do blízkosti kritického bodu (5 K; 0,2 MPa). Cíl práce: přínos k pochopení obecných fyzikálních principů dosud nevyřešeného problému turbulence. Metoda:  experimentální studium přirozené konvekce při vysokých hodnotách Ra pomocí studeného héliového plynu se zaměřením na strukturu turbulentního proudění.

Školitel:         RNDr.Věra Musilová, CSc., Ústav přístrojové techniky, Akademie věd ČR v.v.i. 

Poznámky:
Práce bude prováděna v Ústavu přístrojové techniky (Brno) v laboratoři „Skupiny kryogeniky a supravodivosti“.  V případě úspěšného zapojení do práce laboratoře zde doktorand dostane nabídku na částečný pracovní úvazek. Lze absolvovat i distančně při zaměstnaneckém poměru na ÚPT.

K tématu je k dispozici:  Kryostat s konvekční komorou pro plynné helium na teplotách <12 K (tlak až 0.25 MPa) vybavený teplotními a tlakovými snímači pro určení podobnostních čísel Nu a Ra,  pro lokální měření teplot, jejich fluktuací a rychlostí plynu.
Spolupráce: s Katedrou fyziky nízkých teplot na MFF University Karlovy (prof.Skrbek) a NÉEL CNRS ve Francii (P.-E. Roche). Podpořeno grantem „Objasnění zásadních otázek turbulentní konvekce“, GAAV ČR KJB200650902.