title: Modeling and simulation of thermo-electro hydrodynamics
title: Modellierung und Simulation von thermo-elektro Hydrodynamik
Creators: name: Zaussinger, Florian
Publisher: name: BTU  Cottbus - Senftenberg
Year: 2021
Subjects: subject: 500 Naturwissenschaften und Mathematik

description: The GeoFlow (Geophysical Flow) experiment on the International Space Station (ISS) and the AtmoFlow (Atmospherical Flow) experiment are designed to study convective processes under microgravity conditions in the spherical gap geometry. By applying a high voltage field between two concentric spherical shells and utilizing a dielectric working fluid it is possible to maintain an artificial radial force field that is comparable to a planetary gravitational field. This makes it possible to study convection such as known from the Earth's outer core, the Earth's mantle, or planetary atmospheres. The radial force field is based on the dielectrophoretic effect and is described by thermo-electro hydrodynamics (TEHD). This habilitation thesis presents a comprehensive view on modeling TEHD and the numerical simulation of the governing equations with a focus on GeoFlow and AtmoFlow. The GeoFlow experiment investigated thermal convection with and without dielectric (internal) heating under long-time micro-gravity conditions on the ISS. This unique experimental setup consisted of a bottom heated and top cooled spherical gap, filled with the silicon oil M5 or 1-Nonanol. Rotation, varying voltage, and temperature differences across the gap could be applied, to spread the experimental parameter space. The main focus of GeoFlow was the investigation of flow properties such as the convective onset, the transition from laminar to turbulent flows, and the influence of rotation on convection. Experimental outcomes were compared with theoretical and numerical results via advanced post-processing techniques. This includes pattern recognition algorithms and statistical evaluation of the numerical simulations. The TEHD model was validated on the onset of convection through linear stability analysis, on properties of columnar cells and global convective structures such as regular laminar flows. It is shown that TEHD based convection is comparable with Rayleigh-Benard convection and that is can be described by the quasi-normal approximation. For rotating cases and low super-criticalities the Proudman-Taylor theorem dominated the fluid flow which resulted in global columnar cells. In summary, the presented TEHD model is able to explain certain aspects of convective flows observed in GeoFlow. It is the first validation for such a model at all stages. The AtmoFlow experiment is based on GeoFlow but is designed to investigate global cells and planetary waves which are known from planetary atmospheres. Its unique feature are the atmospheric-like boundary conditions. Understanding the interaction between atmospheric circulation and a planet's climate, be it Earth, Mars, Jupiter, or a distant exoplanet, contributes to various fields of research such as astrophysics, geophysics, fluid physics, and climatology. AtmoFlow is currently under construction and is planned for operation on the ISS in 2024.
description: Das GeoFlow (Geophysical Flow)-Experiment auf der Internationalen Raumstation (ISS) und das AtmoFlow (Atmospherical Flow)-Experiment dienen der Untersuchung konvektiver Prozesse unter Mikrogravitationsbedingungen in der Kugelspaltgeometrie. Durch Anlegen eines Hochspannungsfeldes in der Kugelschalen und unter Verwendung eines dielektrischen Fluides ist es möglich, ein künstliches radiales Kraftfeld aufrechtzuerhalten, das mit einem planetaren Gravitationsfeld vergleichbar ist. Damit ist es möglich Konvektion zu untersuchen, wie sie aus dem äußeren Erdkern, dem Erdmantel oder aus Planetenatmosphären bekannt ist. Das radiale Kraftfeld basiert auf dem dielektrophoretischen Effekt und wird durch die Thermo-Elektro-Hydrodynamik (TEHD) beschrieben. Das GeoFlow-Experiment untersuchte die thermische Konvektion mit und ohne dielektrischer (interne) Heizung unter Mikrogravitationsbedingungen auf der ISS. Dieser einzigartige Versuchsaufbau bestand aus einem innen beheizten und außen gekühlten Kugelspalt, der mit dem Silikonöl M5 oder 1-Nonanol gefüllt war. Rotation, variierende Spannung und Temperaturdifferenzen definierten den experimentellen Parameterraum. Der Schwerpunkt von GeoFlow lag auf der Untersuchung von Strömungseigenschaften wie dem Einsetzen der Konvektion, dem Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung und dem Einfluss der Rotation auf die Konvektion. Die experimentellen Ergebnisse wurden mit theoretischen und numerischen Resultaten mittels fortschrittlicher Post-Processing-Techniken verglichen. Dazu gehören Algorithmen zur Mustererkennung und die statistische Auswertung der numerischen Simulationen. Das TEHD-Modell wurde hinsichtlich des Einsetzens der Konvektion durch eine lineare Stabilitätsanalyse, bezüglich Kolumnarzellen und globaler konvektiver Strukturen sowie regelmäßiger laminarer Strömungen validiert. Es konnte gezeigt werden, dass die TEHD-basierte Konvektion mit der Rayleigh-Benard-Konvektion vergleichbar ist und dass sie durch die quasi-normale Näherung beschrieben werden kann. Für rotierende Fälle und niedrige Überkritikalitäten dominiert das Proudman-Taylor-Theorem die Strömung, was zu globalen kolumnaren Zellen führt. Das AtmoFlow-Experiment basiert auf GeoFlow, ist aber darauf ausgelegt, globale Zellen und planetare Wellen zu untersuchen, die aus planetaren Atmosphären bekannt sind. Einzigartig sind in diesem Experiment die atmosphärenähnlichen Randbedingungen. Das Verständnis der Wechselwirkung zwischen der atmosphärischen Zirkulation und dem Klima eines Planeten, sei es die Erde, dem Mars, des Jupiters oder entfernter Exoplaneten, trägt zu einer Vielzahl an Forschungsgebieten wie z.B. Astrophysik, Geophysik, Fluidphysik und Klimatologie bei. AtmoFlow befindet sich derzeit im Bau und ist für den Betrieb auf der ISS im Jahr 2024 geplant.