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What Rayleigh numbers are achievable under Oberbeck-Boussinesq conditions?

Weiss, Stephan und Emran, Mohammad und Shishkina, Olga (2024) What Rayleigh numbers are achievable under Oberbeck-Boussinesq conditions? Journal of Fluid Mechanics, 986 (05), Seiten 1-12. Cambridge University Press. doi: 10.1017/jfm.2024.389. ISSN 0022-1120.

[img] PDF - Nur DLR-intern zugänglich - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
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Offizielle URL: https://www.cambridge.org/core/journals/journal-of-fluid-mechanics

Kurzfassung

The validity of the Oberbeck-Boussinesq (OB) approximation in Rayleigh-Benard (RB) convection is studied using the Gray & Giorgini (1976) criterion that requires that the residuals, i.e., the terms that distinguish the full governing equations from their OB approximations, are kept below a certain small threshold $\sigma$. This gives constraints on the temperature- and pressure-variations of the fluid properties (density, absolute viscosity, specific heat at constant pressure cp, thermal expansion coefficient, and thermal conductivity) and on the magnitudes of the pressure work and viscous dissipation terms in the heat equation, which all can be formulated as bounds regarding the maximum temperature difference in the system, $\Delta$, and the container height, L. Thus for any given fluid and $\sigma$ , one can calculate the OB-validity region (in terms of $\Delta$ and L) and also the maximum achievable Rayleigh number $Ra_{max}$, $\sigma$, and we did so for fluids water, air, helium and pressurized SF6 at room temperature, and cryogenic helium, for $\sigma$ = 5%, 10% and 20%. For the most popular fluids in high-Ra RB measurements, which are cryogenic helium and pressurized SF6, we have identified the most critical residual, which is associated with the temperature dependence of $c_p$. Our direct numerical simulations (DNS) showed, however, that even when the values of $c_p$ can differ almost twice within the convection cell, this feature alone cannot explain a sudden and strong enhancement in the heat transport in the system, compared to its OB analog.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/204302/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Zusätzliche Informationen:ISSN: 0022-1120 (Print), 1469-7645 (Online) Published online by Cambridge University Press: 03 May 2024
Titel:What Rayleigh numbers are achievable under Oberbeck-Boussinesq conditions?
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Weiss, Stephanstephan.weiss (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-1626-3780NICHT SPEZIFIZIERT
Emran, MohammadMax Planck Institut f. Dynamik und SelbstorganisationNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Shishkina, OlgaMax Planck Institut f. Dynamik und Selbstorganisationhttps://orcid.org/0000-0002-6773-6464NICHT SPEZIFIZIERT
Datum:3 Mai 2024
Erschienen in:Journal of Fluid Mechanics
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Nein
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:986
DOI:10.1017/jfm.2024.389
Seitenbereich:Seiten 1-12
Herausgeber:
HerausgeberInstitution und/oder E-Mail-Adresse der HerausgeberHerausgeber-ORCID-iDORCID Put Code
NICHT SPEZIFIZIERTJFMNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Verlag:Cambridge University Press
Name der Reihe:JFM Rapids
ISSN:0022-1120
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Rayleigh–Bénard convection, Oberbeck–Boussinesq approximation, heat transport measurements
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HGF - Programm:Luftfahrt
HGF - Programmthema:Effizientes Luftfahrzeug
DLR - Schwerpunkt:Luftfahrt
DLR - Forschungsgebiet:L EV - Effizientes Luftfahrzeug
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Standort: Göttingen
Institute & Einrichtungen:Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik > Experimentelle Verfahren, GO
Hinterlegt von: Micknaus, Ilka
Hinterlegt am:11 Jul 2024 14:15
Letzte Änderung:11 Jul 2024 14:27

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