Mode analysis of large-scale liquid sodium circulation in a Rayleigh-Benard turbulent convection experiment
DOI:
https://doi.org/10.17072/1994-3598-2020-2-65-73Keywords:
Rayleigh-Bénard convection, turbulence, large-scale circulationAbstract
The paper presents the results of an experimental study of a turbulent convection of liquid sodium in a vertical cylinder with aspect ratio one, heated from one end and cooled from the other. A detailed spectral analysis of temperature signals was carried out for experiments lasting from 1 to 7 hours. It is shown that in the entire range of Rayleigh numbers (0.6÷2.2)·107, the turbulent flow self-organizes into a large-scale circulation (LSC), occupying the entire cavity and having a complex spatio-temporal structure. In addition to the main mode, there are additional modes in the flow structure, such as sloshing and torsion oscillations. The developed experimental data processing algorithm made it possible to isolate these modes and conduct an independent analysis of their characteristics. Long-term measurements made it possible to detect the wandering of the plane of the main LSC mode using the developed algorithm for filtering experimental data. The wandering process is non-periodic in nature and consists in irregular rotation of the LSC plane mainly at angles of the order of 40 – 50° at time scales from units to tens of minutes, and, rarely, at angles of about 90° and even 180° at large time scales. Such rare events were recorded on wavelet diagrams in the form of bursts of spectral energy density.References
Chillà F., Schumacher J. New perspectives in turbulent Rayleigh-Bénard convection. Eur. J. Phys. E, 2012, vol. 35, 58.
Hanasoge S. M., Duvall T. L. Jr., Sreenivasan K. R. 2012 Anomalously weak solar convection. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2012, vol. 109 (30), pp. 11928–11932.
King E. M., Aurnou J. M. Turbulent convection in liquid metal with and without rotation. Proc Natl. Acad. Sci. USA, 2013, vol. 110(17), pp. 6688–6693.
Asai S. Electromagnetic Processing of Materials: Materials Processing by Using Electric and Magnetic Functions (Springer, Heidelberg), 2012.
Grötzbach G. Challenges in low-Prandtl number heat transfer simulation and modeling. Nucl. Eng. Des., 2013, vol. 264, pp. 41–55.
Kelley D. H., Sadoway D. R. Mixing in a liquid metal electrode. Phys. Fluids, 2014, vol. 26, 057102.
Ahlers G., Grossmann S., Lohse D. Heat transfer and large scale dynamics in turbulent Rayleigh-Bénard convection. Rev. Mod. Phys. 2009, vol. 81, pp. 503−537.
Xi H.-D., Xia K.-Q. Azimuthal motion, reorientation, cessation, and reversal of the large-scale circulation in turbulent thermal convection: A comparative study in aspect ratio one and one-half geometries. Phys. Rev. E, 2008, vol. 78, 036326.
Khalilov R., Kolesnichenko I., Pavlinov A., Mamykin A., et al. Thermal convection of liquid sodium in inclined cylinders. Phys. Rev. Fluids, 2018, vol. 3, 043503.
Kolesnichenko I., Khalilov R., Teimurazov A., Frick P. On boundary conditions in liquid sodium convective experiments. J. Phys.: Conf. Ser., 2017, vol. 891, 012075.
Cioni S., Ciliberto S., Sommeria J. Strongly turbulent Rayleigh-Bénard convection in mercury: comparison with results at moderate Prandtl number. J. Fluid Mech., 1997, vol. 335, pp. 111−140.
Xi H.-D., Zhou S.-Q., Zhou Q., Chan T.-S., et al. Origin of the temperature oscillation in turbulent thermal convection. Phys. Rev. Letters, 2009, vol. 102, 044503.
Brown E., Ahlers G. The origin of oscillations of the large-scale circulation of turbulent Rayleigh-Bénard convection. J. Fluid Mech., 2009, vol. 638, pp. 383-400.
Zürner T., Schindl F., Vogt T., Eckert S., et al. Combined measurement of velocity and temperature in liquid metal convection. J. Fluid Mech., 2019, vol. 876, pp. 1108-1128.
Zwirner L., Khalilov R., Kolesnichenko I., Mamykin A., et al. The influence of the cell inclination on the heat transport and large-scale circulation in liquid metal convection. J. Fluid Mech., 2020, vol. 884, A18.
Zhou Q., Xi H.-D., Zhou S.-Q., Sun C., et al. Oscillations of the large-scale circulation in turbulent Rayleigh-Bénard convection: the sloshing mode and its relationship with the torsional mode. J. Fluid Mech., 2009, vol. 630, pp. 367–390.
Mamykin A. D., Kolesnichenko I. V., Pavlinov A. M., Khalilov R. I. Large scale circulation in turbulent Rayleigh-Bénard convection of liquid sodium in cylindrical cell. J. Phys.: Conf. Ser., 2018, vol. 1128, 012019.
Downloads
Published
How to Cite
Issue
Section
License
Автор предоставляет Издателю журнала (Пермский государственный национальный исследовательский университет) право на использование его статьи в составе журнала, а также на включение текста аннотации, полного текста статьи и информации об авторах в систему «Российский индекс научного цитирования» (РИНЦ).
Автор даёт своё согласие на обработку персональных данных.
Право использования журнала в целом в соответствии с п. 7 ст. 1260 ГК РФ принадлежит Издателю журнала и действует бессрочно на территории Российской Федерации и за её пределами.
Авторское вознаграждение за предоставление автором Издателю указанных выше прав не выплачивается.
Автор включённой в журнал статьи сохраняет исключительное право на неё независимо от права Издателя на использование журнала в целом.
Направление автором статьи в журнал означает его согласие на использование статьи Издателем на указанных выше условиях, на включение статьи в систему РИНЦ, и свидетельствует, что он осведомлён об условиях её использования. В качестве такого согласия рассматривается также направляемая в редакцию справка об авторе, в том числе по электронной почте.
Редакция размещает полный текст статьи на сайте Пермского государственного национального исследовательского университета: http://www.psu.ru и в системе OJS на сайте http://press.psu.ru
Плата за публикацию рукописей не взимается. Гонорар за публикации не выплачивается. Авторский экземпляр высылается автору по указанному им адресу.
