Přenos tepla v turbulentní konvekci

Rayleighova-Bénardova konvekce v kryogenním heliu

Aparatura ke studiu turbulentní Rayleighovy-Bénardovy konvekce byla navržena a zkonstruována ve spolupráci s Ústavem přístrojové techniky, v.v.i., Akademie věd ČR (UPT AVČR) a je provozována v jejich prostorách v Brně. V současném provedení je opatřena válcovou experimentální komorou o průměru 30 cm pro studium Rayleighovy-Benardovy konvekce, která se vzhledem ke všem existujícím kryogenním komorám pro vysoká Rayleighova čísla, Ra, vyznačuje vynikajícími parametry - zanedbatelným parazitním tepelným přítokem a nejnižšími numerickými korekcemi na tepelnou vodivost stěn a desek.

Aparatura umožňuje studium vztlakově generovaných turbulentních proudění charakterizovaných vysokými Ra dosahujícími řádu až 1015 s využitím kryogenního heliového plynu (o tlaku do 3 bar) jako pracovní látky s velmi dobře známými a v průběhu experimentu laditelnými fyzikálními vlastnostmi. Geometrii komory lze snadno měnit výměnou středního dílu válcové stěny.

Studujeme efektivitu konvektivního tepelného přenosu, zejména závislost Nusseltova čísla, Nu, na Raylieghově čísle, Ra, se zřetelem k možné existenci teoreticky předpovězeného mezního režimu konvekce, tzv. Kraichnanova režimu. Dále studujeme chování makroskopického proudění v komoře, tzv. větru, a menších struktur v turbulentním proudu, na základě fluktuací teploty uvnitř cely měřených pomocí malých germaniových čidel, přičemž analyzujeme jejich statistické vlastnosti.

Dvoufázová konvekce

Pokud je v konvekční cele přítomno hélium v kapalné i v plynné fázi zároveň, dochází k přenosu tepla mezi deskami cely tzv. dvoufázovou konvekcí, kdy se od spodní desky ohřívá kapalina, ve které dochází k bublinovému varu, čímž se přeměňuje na páru, která je chlazena horní deskou.

Za určitých podmínek však nečekaně dojde k tomu, že v průběhu takového experimentu teplota horní (chlazené) desky překročí teplotu spodní (ohřívané) desky, přičemž směr toku tepla je stále stejný – dochází tedy k anomálnímu přenosu tepla od studenějšího tělesa k teplejšímu bez dalších vnějších zásahů do systému v cele, kromě ohřevu spodní desky a chlazení desky horní. Není však třeba se obávat o zákony termodynamiky – vnější práce, která je nutnou podmínkou k tomu, aby tato inverze teplot mohla nastat (děje se tak například ve vaší ledničce), je v tomto experimentu nahrazena právě bublinovým varem, který zvyšuje tlak i teplotu páry nad rovnovážné hodnoty.

Po vypnutí topení ve spodní desce se začne obsah cely postupně ochlazovat, díky slabému tepelnému kontaktu horní desky s vnější heliovou lázní. Jakmile teplota horní desky klesne k rovnovážnému bodu varu helia za daného tlaku v cele, začnou páry hélia kondenzovat na horní desce a v cele se spustí héliový déšť, který snadno detekujeme pomocí teplotních čidel. Přitom však stále dochází k vypařování z hladiny kapalné fáze, v cele tedy funguje proces (vypařování a déšť) připomínající hydrologický cyklus planety Země.

Inverzní profil teploty, héliový déšť a další pozoruhodné vlastnosti dvoufázové konvekce v héliu studujeme jak experimentálně, tak i numericky v rámci námi vyvinutého zjednodušeného modelu přenosu tepla a fázových změn (bublinový var, kondenzace, vypařování). Do budoucna plánujeme rozšířit experimenty a prozkoumat dvoufázovou konvekci v širším rozsahu experimentálních parametrů a dále tak prověřit platnost zmíněného modelu. Podobný experiment může být proveden i se supratekutým heliem uvnitř cely, což by mělo prokázat zda při dostatečném výkonu topení může dojít k podobnému jevu, nebo zda bude bublinový var, jenž je klíčový pro pozorovanou inverzi teplot, zcela potlačen.