We examine the Rayleigh–Bénard convection as modelled by the Boussinesq equation. Our aim is at deriving bounds for the heat enhancement factor in the vertical direction, the Nusselt number, which reproduce physical scalings. In the first part of the dissertation, we examine the the simpler model when the acceleration of the fluid is neglected (Pr=∞) and prove the non-optimality of the temperature background field method by showing a lower bound for the Nusselt number associated to it. In the second part we consider the full model (Pr<∞) and we prove a new upper bound which improve the existing ones (for large Pr numbers) and catches a transition at Pr~Ra^(1/3).

The thesis is focused on the investigation of Rayleigh-Bénard problem in an extended setting approximating the conditions in the Earth's mantle. The aim is to evaluate the influence of depth- and temperature- dependent material parameters, dissipation, adiabatic heating/cooling and heat sources on the qualitative characteristics of thermal convection. We identify the critical values of dimensionless parameters that determine the onset of convection and characterize the dominating convection patterns in marginally supercritical states. These issues are addressed by the application of linear stability analysis and weakly non-linear analysis. It has been found that the character of convection differ substantially from the standard case of Rayleigh-Bénard convection. Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)

V disertační práci je popsán heliový kryostat s experimentální válcovou konvekční celou pro studium proudění při přirozené konvekci za velmi vysokých Rayleigho čísel Ra (až do řádu 10^15) a Nusseltových čísel Nu (až do řádu 10^4). Pracovní látkou je studené 4He, které umožňuje díky výhodným fyzikálním vlastnostem dosažení velmi vysokých hodnot čísel Ra. Návrh kryostatu je založen na koncepci lázňových NMR kryostatů s nízkým odparem kryokapalin. Ve středu kryostatu je umístěna konvekční cela o průměru 300 mm a výšce 300 mm. Celu tvoří horní a spodní dno a výměnná střední část. Tyto díly jsou spojeny rozebíratelnými přírubami těsněnými indiovým drátem. Výměnná část umožňuje snadnou modifikaci geometrie cely. Hlavní přednost kryostatu spočívá v minimálním vlivu konstrukce cely a použitých materiálů na studovanou konvekci. Cela kryostatu je navržena pro pracovní tlaky do 250 kPa.

In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass die numerischen simulationen einer freien Rayleigh-Bénard-Konvektion und einer rein elektromagnetisch angetriebenen gezeiten-artigen Strömung in einem stehenden zylindrischen Volumen mit einem Seitenverhältnis Г = D/H = 1 und seitlich angelegten Magnetspulen eine gute Übereinstimmung mit entspre-chenden Experimenten aufweisen. Kombiniert man beide Mechanismen und moduliert die Lorentzkraft, so zeigen sich in den Frequenzspektren der Helizität in zwei Halbräumen des Volumens deutliche Maxima an der Modulationsfrequenz. Eine solche Helizitätssynchronisierung durch Gezeitenkräfte wird derzeit als mögliche Erklärung für die hohe Regularität des Sonnendynamos diskutiert. Des Weiteren wird die in freier Konvektion auftretende langsame azimutale Wanderung der Konvektionszelle unterdrückt. Der Schwingungswinkel der azimutalen Schwappbewegung nimmt dabei ab und die in der Strömung dominante Frequenz erhöht sich. Die durch die zwei unterschiedlichen Antriebsmechanismen erzeugten Strömungsstrukturen bleiben in der Strömung eigenständig erhalten und treten in gegenseitige Interaktion.:1. Einleitung 2. Grundlagen 2.1. Rayleigh-Bénard-Konvektion 2.2. MHD - Magnetohydrodynamik 2.3. Wichtige Aspekte des numerischen Modells 3. Modellerstellung 3.1. Geometrie 3.2. Numerisches Modell 3.2.1. Elektromagnetisches Modell in Opera 3.2.2. Modell der Strömungsberechnung in OpenFOAM 4. Ergebnisse 4.1. Ergebnisse der freien Rayleigh-Bénard-Konvektion 4.2. Ergebnisse der nichtmodulierten elektromagnetischen Strömungsanregung ohne Temperaturgradient 4.3. Ergebnisse der zeitmodulierten elektromagnetischen Strömungsanregung ohne Temperaturgradient 4.4. Ergebnisse der elektromagnetisch beeinflussten Rayleigh-Bénard-Konvektion 4.4.1. Auswirkung der elektromagnetischen Beeinflussung auf die Strömungsstruktur 4.4.2. Vergleich ausgewählter Ergebnisse der numerischen Untersuchung und des Experimentes 4.4.3. Auswirkung der elektromagnetischen Beeinflussung auf die Helizität 5. Zusammenfassung und Fazit

Dans ces travaux , nous avons deux principaux objectifs physique et numérique. Le problème physique consiste à trouver la solution de Rayleigh-Bénard pour des fluides newtoniens et non-newtoniens. Dans la présente étude, une présentation générale des résultats de la convection de Rayleigh-Bénard (RBC) est donnée dans le cas des fluides newtoniens et non-newtoniens tels que des fluides rhéofluidifiants modélisés par la loi puissance et des fluides viscoplastiques (fluides de Bingham, Herschel-Bulkley et Casson), en régime permanent et transitoire. Dans le cas des fluides viscoplastiques, les modèles macroscopiques ne prenant pas bien en compte la réalité physique de la contrainte seuil ont fait l'objet d'une modélisation. Un modèle mesoscopique proposé par Hébraud et Lequeux a été utilisé. Le problème numérique consiste à développer la méthode de résolution PGD (Proper Generalized Decomposition) pour résoudre les modèles non linéaires couplés transitoires, dans le cas du problème de Rayleigh-Bénard. Cette méthode est également utilisée pour résoudre le problème RBC paramétrique en y ajoutant quelques variables physiques comme coordonnées supplémentaires. Par ailleurs, dans le cas des fluides non-newtoniens, nous avons utilisé la PGD pour résoudre les équations mesoscopiques et macroscopiques couplées.

In verfahrenstechnischen Anlagen der Flüssig-Flüssig-Stoffübertragung kommt es an der Phasengrenze zwischen den nicht mischbaren Flüssigphasen häufig zur Ausbildung hydrodynamischer Instabilitäten. Sie sind mit komplexen Geschwindigkeitsfeldern in den Flüssigphasen, insbesondere in den grenzschichtnahen Regionen verbunden und führen zu einem starken Anstieg der pro Zeiteinheit übertragenen Stoffmenge. Die Lösung der Diffusionsgleichung reicht in diesem Fall zur Vorausberechnung des für Auslegungszwecke bedeutsamen Stoffdurchgangskoeffizienten nicht mehr aus. Chemische Reaktionen stellen Quellen oder Senken von Wärme und Stoff dar, die das Auftreten von Instabilitäten begünstigen und die mathematische Beschreibung zusätzlich erschweren. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden experimentelle und numerische Untersuchungen zum Flüssig-Flüssig-Stoffübergang in einem vertikalen Kapillarspalt durchgeführt. Reaktionsfreie Stoffübergänge und solche mit einer exothermen chemischen Reaktion an der Phasengrenze zeigten eine große Vielfalt von Konvektionsstrukturen, wie Rollzellen, Thermiken und das doppeldiffusive Fingerregime. Die Visualisierung der Transportvorgänge erfolgte durch das Schattenschlierenverfahren. Die Beobachtungen wurden hinsichtlich geometrischer Eigenschaften von Konvektionsstrukturen sowie deren zeitlicher Änderung ausgewertet. Dazu zählten insbesondere das Längenwachstum von Thermiken und horizontale Wellenlängen von Fingerstrukturen. Zur mathematischen Beschreibung der Phänomene im Kapillarspalt wurde ein Modell entwickelt, welches auf den gekoppelten, zweidimensionalen Transportgleichungen von Impuls, Wärme und Stoff beruht. Es berücksichtigt dichte- und grenzflächenspannungsgetriebene Instabilitätsmechanismen sowie die besonderen Durchströmungseigenschaften des Kapillarspalts. Die Phasengrenze wurde als eben angenommen. Die Lösung der Modellgleichungen erfolgt auf numerischem Wege durch ein Computerprogramm. Das Modell ist in der Lage, die beobachteten Instabilitätsphänomene qualitativ richtig wiederzugeben. Mit Hilfe von Simulationsrechnungen konnte der Mechanismus aufgeklärt werden, der zum schnelleren Rückgang des Stoffdurchgangskoeffizienten im Rollzellenregime der rein grenzflächenspannungsgetrieben Instabilität im Vergleich zum Vorgang mit überlagerter Dichtekonvektion führt. Des Weiteren gelang der Nachweis des doppeldiffusiven Fingerregimes beim Stoffübergang mit exothermer Grenzflächenreaktion. Die berechnete Erhöhung des Stoffdurchgangskoeffizienten stimmt mit Angaben in experimentellen Arbeiten anderer Autoren überein.

Ce mémoire analyse le phénomène de convection turbulente dans diverses cellules de Rayleigh-Bénard remplies d'hélium gazeux et liquide. Une des spécificités de cette étude est sa mise en oeuvre en environnement cryogénique, afin de bénéficier de conditions expérimentales optimales, tant en terme de contrôle thermique qu'en terme de plage de variation des paramètres de contrôle : les Nombres de Prandtl (Pr) et de Rayleigh. Ce dernier est en particulier exploré sur plus de 11 décades. Trois contributions principales se dégagent de cette étude. Tout d'abord, la mise en évidence d'un effet de conduction déterminant dû à la paroi latérale. Négligé dans les travaux antérieurs, cet effet est étudié expérimentalement puis modélisé. Il permet de lever certaines incohérences apparues dans des publications de références. En outre, le ré-examen de publications antérieures conforte l'idée que le Nombre de Nusselt (Nu) dépend du Nombre de Rayleigh suivant une loi de puissance d'exposant supérieur à 0,3, plutôt que 2/7 par exemple. La deuxième contribution porte sur l'influence du Nombre de Prandtl, analysée sur une décade et demie (0,7

Dans ce travail, nous avons abordé le phénomène de la Convection Thermique Turbulente sous des angles nouveaux et innovants. <br /><br />Le premier système que nous abordons expérimentalement est un Canal Vertical dit Infini au sein duquel règne un gradient de température moyen constant. Le flux de masse dans ce canal est nul. L'image qui se dégage de nos mesures est celle d'un écoulement majoritairement inertiel, où les coefficients dissipatifs (la viscosité en l'occurrence) n'interviennent que pour fixer une longueur de cohérence L. Cette longueur est celle sur laquelle les panaches thermiques peuvent êtres considérés comme en « chute libre ». Le transport horizontal (d'impulsion et de chaleur) est entièrement dû aux fluctuations. La « longueur de mélange » associée est petite devant la largeur du canal. Par contre, le transport de chaleur vertical est dû à des structures cohérentes, les panaches. <br />Ces panaches, nous les retrouvons dans une étude Lagrangienne de l'écoulement au centre d'une cellule de Rayleigh Bénard. La sonde est une sphère de 2 cm de diamètre qui a la même densité que le fluide que nous utilisons, équipée de thermomètres et d'un émetteur radio. Elle est transportée par les panaches, ce qui nous permet une étude statistique de ceux-ci.

In verfahrenstechnischen Anlagen der Flüssig-Flüssig-Stoffübertragung kommt es an der Phasengrenze zwischen den nicht mischbaren Flüssigphasen häufig zur Ausbildung hydrodynamischer Instabilitäten. Sie sind mit komplexen Geschwindigkeitsfeldern in den Flüssigphasen, insbesondere in den grenzschichtnahen Regionen verbunden und führen zu einem starken Anstieg der pro Zeiteinheit übertragenen Stoffmenge. Die Lösung der Diffusionsgleichung reicht in diesem Fall zur Vorausberechnung des für Auslegungszwecke bedeutsamen Stoffdurchgangskoeffizienten nicht mehr aus. Chemische Reaktionen stellen Quellen oder Senken von Wärme und Stoff dar, die das Auftreten von Instabilitäten begünstigen und die mathematische Beschreibung zusätzlich erschweren. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden experimentelle und numerische Untersuchungen zum Flüssig-Flüssig-Stoffübergang in einem vertikalen Kapillarspalt durchgeführt. Reaktionsfreie Stoffübergänge und solche mit einer exothermen chemischen Reaktion an der Phasengrenze zeigten eine große Vielfalt von Konvektionsstrukturen, wie Rollzellen, Thermiken und das doppeldiffusive Fingerregime. Die Visualisierung der Transportvorgänge erfolgte durch das Schattenschlierenverfahren. Die Beobachtungen wurden hinsichtlich geometrischer Eigenschaften von Konvektionsstrukturen sowie deren zeitlicher Änderung ausgewertet. Dazu zählten insbesondere das Längenwachstum von Thermiken und horizontale Wellenlängen von Fingerstrukturen. Zur mathematischen Beschreibung der Phänomene im Kapillarspalt wurde ein Modell entwickelt, welches auf den gekoppelten, zweidimensionalen Transportgleichungen von Impuls, Wärme und Stoff beruht. Es berücksichtigt dichte- und grenzflächenspannungsgetriebene Instabilitätsmechanismen sowie die besonderen Durchströmungseigenschaften des Kapillarspalts. Die Phasengrenze wurde als eben angenommen. Die Lösung der Modellgleichungen erfolgt auf numerischem Wege durch ein Computerprogramm. Das Modell ist in der Lage, die beobachteten Instabilitätsphänomene qualitativ richtig wiederzugeben. Mit Hilfe von Simulationsrechnungen konnte der Mechanismus aufgeklärt werden, der zum schnelleren Rückgang des Stoffdurchgangskoeffizienten im Rollzellenregime der rein grenzflächenspannungsgetrieben Instabilität im Vergleich zum Vorgang mit überlagerter Dichtekonvektion führt. Des Weiteren gelang der Nachweis des doppeldiffusiven Fingerregimes beim Stoffübergang mit exothermer Grenzflächenreaktion. Die berechnete Erhöhung des Stoffdurchgangskoeffizienten stimmt mit Angaben in experimentellen Arbeiten anderer Autoren überein.

The introduced mineral deposit model (MDM) is the product of a trans-disciplinary study, based on Complexity and General Systems Theory. Both investigate the abstract organization of phenomena, independent of their substance, type, or spatial or temporal scale of existence. The focus of the research has been on giant, hydrothermal mineral deposits. They constitute <0.001% of the total number of deposits yet contain 70-85% of the world's metal resources. Giants are the definitive exploration targets. They are more profitable to exploit and less susceptible to fluctuations of the market. Consensus has it that the same processes that generate small deposits also form giants but those processes are simply longer, vaster, and larger. Heat is the dominant factor in the genesis of giant mineral deposits. A paleothermal map shows where the vast heat required to generate a giant has been concentrated in a large space, and even allows us to deduce the duration of the process. To generate a paleothermal map acceptable to the scientific community requires reproducibility. Experimentation with various approaches to pattern recognition of geochemical data showed that the AUTOCLUST algorithm not only gave reproducibility but also gave the most consistent, most meaningful results. It automatically extracts boundaries based on Voronoi and Delaunay tessellations. The user does not specify parameters; however, the modeller does have tools to explore the data. This approach is near ideal in that it removes much of the human-generated bias. This algorithm reveals the radial, spatial distribution, of gold deposits in the Lachlan Fold Belt of southeastern Australia at two distinct scales – repeating patterns every ~80 km and ~230 km. Both scales of patterning are reflected in the geology. The ~80 km patterns are nested within the ~230 km patterns revealing a self-similar, geometrical relationship. It is proposed that these patterns originate from Rayleigh-Bénard convection in the mantle. At the Rayleigh Number appropriate for the mantle, the stable planform is the spoke pattern, where hot mantle material is moving upward near the centre of the pattern and outward along the radial arms. Discontinuities in the mantle, Rayleigh-Bénard convection in the mantle, and the spatial distribution of giant mineral deposits, are correlative. The discontinuities in the Earth are acting as platforms from which Rayleigh-Bénard convection can originate. Shallow discontinuities give rise to plumelets, which manifest at the crust as repeating patterns ranging, from ~100 to ~1,000 km in diameter. Deeper discontinuities give rise to plumes, which become apparent at the crust as repeating patterns ranging from >1,000 to ~4,000 km in diameter. The deepest discontinuities give rise to the superplumes, which become detectable at the crust as repeating patterns ranging from >4,000 to >10,000 km in diameter. Rayleigh-Bénard convection concentrates the reservoir of heat in the mantle into specific locations in the crust; thereby providing the vast heat requirements for the processes that generate giant, hydrothermal mineral deposits. The radial spatial distribution patterns observed for gold deposits are also present for base metal deposits. At the supergiant Broken Hill deposit in far western New South Wales, Australia, the higher temperature Broken Hill-type deposits occur in a radial pattern while the lower temperature deposits occur in concentric patterns. The supergiant Broken Hill deposit occurs at the very centre of the pattern. If the supergiant Broken Hill Deposit was buried beneath alluvium, water or younger rocks, it would now be possible to predict its location with accuracy measured in tens of square kilometres. This predictive accuracy is desired by every exploration manager of every exploration company. The giant deposits at Broken Hill, Olympic Dam, and Mount Isa all occur on the edge of an annulus. There are at least two ways of creating an annulus on the Earth's surface. One is through Rayleigh-Bénard convection and the other is through meteor impact. It is likely that only 'large' meteors (those >10 km in diameter) would have any permanent impact on the mantle. Lesser meteors would leave only a superficial scar that would be eroded away. The permanent scars in the mantle act as ‘accidental templates’ consisting of concentric and possibly radial fractures that impose those structures on any rocks that were subsequently laid down or emplaced over the mantle. In southeastern Australia, the proposed Deniliquin Impact structure has been an 'accidental template' providing a 'line-of-least-resistance' for the ascent of the ~2,000 km diameter, offshore, Cape Howe Plume. The western and northwestern radial arms of this plume have created the very geometry of the Lachlan Fold Belt, as well as giving rise to the spatial distribution of the granitic rocks in that belt and ultimately to the gold deposits. The interplay between the templating of the mantle by meteor impacts and the ascent of plumelets, plumes or superplumes from various discontinuities in the mantle is quite possibly the reason that mineral deposits occur where they do.