Physiker messen die Temperatur von Flüssigkeitsströmen und entdecken eine neue Rolle für Turbulenzen

Ein Team von Physikern hat eine neue Rolle für eine bestimmte Art von Turbulenzen entdeckt – eine Entdeckung, die Aufschluss über Flüssigkeitsströme gibt, die vom flüssigen Kern der Erde bis hin zu kochendem Wasser reichen.

Die Forschung, die in der Zeitschrift veröffentlicht wird Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaftenim Mittelpunkt steht die turbulente Konvektion – die Bewegung von Flüssigkeit, wenn sie von unten erhitzt wird.

„Unsere Experimente zeigen komplizierte Bewegungen zwischen einem sich frei bewegenden Körper und thermischen Konvektionsströmen“, sagt Jun Zhang, Professor für Mathematik und Physik an der New York University und der NYU Shanghai, der leitende Autor der Studie.

Die Studie, an der auch Kaizhe Wang, ein Forscher am Fachbereich Physik der NYU, teilnahm, konzentrierte sich speziell auf die Rayleigh-Bénard-Konvektion – eine Art von Konvektion, die durch Temperaturunterschiede angetrieben wird.

In ihren Experimenten, die im Joint Research Institute der NYU Shanghai durchgeführt wurden, verwendeten die Autoren des Artikels einen zylindrischen Behälter, der mit Wasser gefüllt war, und erhitzten ihn dann von unten, wodurch Konvektionsströmungen erzeugt wurden. Die resultierenden turbulenten Strömungen interagierten mit einem suspendierten Feststoff (einer rechteckigen Platte), der sich frei im Inneren des Behälters bewegte – eine Einstellung, die es den Forschern ermöglichte, besser zu untersuchen, wie turbulente Strömungen mit festen Strukturen im Inneren interagieren.

„Überraschenderweise verhält sich das System einigermaßen brav“, bemerkt Zhang. „Wir beobachteten eine gleichmäßige Rotation der Strömungen und des freien Feststoffs.“

Ihre Ergebnisse zeigten, dass turbulente, durch Konvektion angetriebene Strömungen sich zusammen mit dem Feststoff in zwei Richtungen bewegen können – eine im Uhrzeigersinn und die andere gegen den Uhrzeigersinn – wobei die Gleichrotationsgeschwindigkeit mit der Intensität der Konvektion zunimmt. Darüber hinaus kann ihre Rotation aufgrund der Turbulenzen manchmal die Richtung ändern.

„Die Forschung, inspiriert von der Rotation des inneren Erdkerns bei der Wechselwirkung mit dem konvektiven Flüssigkeitskern, erfasst die Wechselwirkung zwischen einer turbulenten Strömung und einem sich frei bewegenden Körper innerhalb der Strömung“, erklärt Zhang. „Die Ergebnisse bestätigen, dass Turbulenzen durch die Wechselwirkung mit Festkörpern gezähmt werden können. Sie erinnern uns auch daran, dass die Kraft der thermischen Konvektion auf unserem Planeten Erde möglicherweise eine wichtigere Rolle spielt.“