Master's Thesis

Temperature profiles and temperature fluctuations in turbulent Rayleigh-Bénard convection

Final Thesis 9.27 MB

Author of thesis: Ing. Jakub Drahotský

Acad. year: 2017/2018

Supervisor: Ing. Pavel Urban, Ph.D.

Reviewer: Dr. Marco La Mantia, Ph.D.

Abstract:

This work describes experimental research directed at the study of vertical temperature profiles and fluctuations in the turbulent Rayleigh-Bénard convection. Experiments took place in Barrel of Ilmenau containing the cylindrical experimental cell with a diameter of 7.15 m and the height of 4.70 m (the aspect ratio Γ = 1.5) filled with dry air. The temperature profiles and fluctuations were studied along the vertical axis of the cell between the top and bottom plates within the range of Rayleigh number (Ra) of
1E11 − 4E12. The temperature profiles were measured by a novel method using the optical fibre system Luna ODiSI-B which was purchased by the team in Ilmenau. The system permits to measure the temperature profile simultaneously along the whole optical fibre length with a spatial resolution of 5 mm.

Keywords:

Rayleigh-Bénard convection, Barrel of Ilmenau, temperature profiles, temperature fluctuations, Luna ODiSI-B, Optical Distributed Sensor Interrogator

Date of defence

19.06.2018

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Jaká jsou okrajové podmínky experimentu, který jste prováděl? Jaký význam mají veličiny autokorelace a cross korelace a jak jsou definovány? Můžete vysvělit aproximace hustoty vzduchu v Navierově-Stokesově rovnici, které používáte?

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Applied Sciences in Engineering (M2A-P)

Field of study

Physical Engineering and Nanotechnology (M-FIN)

Composition of Committee

prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Miroslav Liška, DrSc. (místopředseda)
prof. RNDr. Bohumila Lencová, CSc. (člen)
prof. RNDr. Jiří Komrska, CSc. (člen)
prof. RNDr. Petr Dub, CSc. (člen)
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Eduard Schmidt, CSc. (člen)
prof. RNDr. Pavel Zemánek, Ph.D. (člen)
RNDr. Antonín Fejfar, CSc. (člen)
doc. Ing. Radek Kalousek, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Pavel Urban, Ph.D.

Diplomová práce se zabývá měřením a zpracováním vertikálních teplotních profilů a fluktuací teploty uvnitř válcové experimentální cely v turbulentní Rayleighově-Bénardově konvekci (RBC) a to v oblasti mezních vrstev a turbulentního jádra RBC. Měření bylo provedeno v rámci studijní stáže autora práce na technické univerzitě v Ilmenau v Německu (TU Ilmenau), kde je provozována největší experimentální aparatura na světě pro studium RBC se vzduchem. Stěžejní částí práce je použití nové a pro uvedený typ experimentu dosud nepoužité techniky s vláknově-optickým senzorem (systém Luna ODiSi-B), která umožňuje získat záznam teplotního profilu a fluktuací teploty podél optického vlákna a to současně v celé výšce cely 4.7 m s rozlišením 5 mm.
První část autorovy stáže v TU Ilmenau v délce  jednoho měsíce byla podpořena mezinárodním projektem EuHIT (European High-performance Infrastructures in Turbulence), který sdružuje nejvýznamnější evropská pracoviště zabývající se studiem turbulentního proudění tekutin. V rámci toho projektu a s pomocí řešitelského týmu z ÚPT AV ČR v.v.i. (ÚPT), se autor seznámil s experimentální aparaturou a provedl první testovací měření teplotních profilů optickou metodou, které doplnil měřením pomocí teplotních sond Pt 100 speciálně navržených v ÚPT. Druhou fázi stáže, v délce asi pěti měsíců, autor absolvoval s podporou programu Erasmus, kde již samostatně provedl všechna měření, jehož výsledky detailně zpracoval v předložené diplomové práci. Vlastní zpracování výsledků autor prováděl v ÚPT v týmu Skupiny kryogeniky a supravodivosti.
Předběžné výsledky měření teplotních profilů a použité metody měření autor prezentoval na mezinárodní konferenci „Experimental Fluid Mechanics 2017“ s publikačním výstupem ve vědeckém časopise „EPJ Web of Conferences“ (viz. citace 12). Aktuálně byl přijat příspěvek na mezinárodní konferenci „12th European Fluid Mechanics Conference“, kde budou prezentovány již pokročilejší výsledky uvedené v této diplomové práci.
Zmíněné výstupy ukazují, že shromážděná data a poznatky popsané v předložené práci přispějí k rozšíření znalosti struktury a dynamiky turbulentní RBC.
Závěrem bych rád ocenil autorův aktivní zájem o řešenou tématiku, odpovědnost a schopnost samostatného řešení konkrétních problémů při práci s experimentální technikou i při zpracování dat v programovém prostředí Matlab.
Diplomová práce je napsána v anglickém jazyce, jasně a srozumitelně a doporučuji ji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A
Display more

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Dr. Marco La Mantia, Ph.D.

The work discusses the application of a new experimental technique to the study of turbulent convection and demonstrates that this technique can be potentially employed to obtain useful results, at least in the range of investigated parameters. The latter is, in my opinion, the main achievement of the thesis, which can therefore be regarded as a comprehensive feasibility study.
As it is clearly stated in the work, the obtained results are yet to be fully understood - see, for example, section 3.4 - but, at the same time, it is remarkable that measurements were successfully performed.
Last but not least, the work content can be clearly understood, despite few language mistakes.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. The student should clearly state his contribution to the work, which is not apparent from the thesis. For example, what was his actual involvement in the experiment preparation? Did he took all the measurements? Did he process all the obtained data by himself? The student could be asked to discuss how to improve the measurement system calibration, see sections 3.3.2 and 3.3.3 of the thesis. A more general question could be to address the relation between the studied simplified system (RBC) and turbulent convection occurring in nature. For example, does the Earth rotation affect heat transport mechanisms in the atmosphere? Can this effect be taken into account in a RBC system?
Display more

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová