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Numerical studies of a fluid-filled precessing cylinder : a framework for the DRESDYN precession experiment

Numerische Untersuchungen eines flüssigkeitsgefüllten präzedierenden Zylinders : ein Rahmen für das DRESDYN-Präzessions-Experiment

  • Precession driven flows are believed to play a relevant role in planetary dynamics, such as in atmospheric phenomena, and as a complementary energy source for homogeneous dynamo action, i.e. the self-generation of planetary magnetic fields. Precessional motion occurs when a body rotates around an axis, which itself is rotating around another axis. The main influence of this forcing mechanism is a gyroscopic effect on the fluid flow which gives rise to a wavy dynamics even in the laminar regime. If the forcing magnitude is strong enough the flow goes through a series of phenomena such as instabilities, resonant interactions between waves, and transition to turbulence whose occurrence depends on the container shape and the angle between the two axis. Although many phenomena have a satisfactory explanation, others still remain elusive and merit further investigations. The interest in moderate to large forcing is particularly motivated by the need of theoretical supports for the upcoming DRESDYN (DREsden Sodium facility for DYNnamo andPrecession driven flows are believed to play a relevant role in planetary dynamics, such as in atmospheric phenomena, and as a complementary energy source for homogeneous dynamo action, i.e. the self-generation of planetary magnetic fields. Precessional motion occurs when a body rotates around an axis, which itself is rotating around another axis. The main influence of this forcing mechanism is a gyroscopic effect on the fluid flow which gives rise to a wavy dynamics even in the laminar regime. If the forcing magnitude is strong enough the flow goes through a series of phenomena such as instabilities, resonant interactions between waves, and transition to turbulence whose occurrence depends on the container shape and the angle between the two axis. Although many phenomena have a satisfactory explanation, others still remain elusive and merit further investigations. The interest in moderate to large forcing is particularly motivated by the need of theoretical supports for the upcoming DRESDYN (DREsden Sodium facility for DYNnamo and thermohydraulic studies) precession experiment, whose main purpose is to test the capability of a precessing fluid system to achieve a dynamo effect. Here, the possibility to generate a magnetic field is connected to the emergence of three large scale structures in the bulk flow: a directly forced standing wave, poloidal vortices, and a geostrophic axisymmetric flow. In this thesis we use numerical simulations to study and understand the flow behavior in a fluid-filled precessing cylinder. We use two types of approaches: a global study to investigate large scale phenomena and the resulting magnetohydrodynamics behavior, and a local model to analyze and unveil the properties of turbulence forced by precession. The bulk flow behavior present different responses with respect to the sense of motion: while prograde precession shows a steep transition to turbulence when increasing the forcing magnitude with a marked breakdown of the directly forced mode, retrograde precession presents a much smoother change. A related distinction has been found also for the dynamo action, which is more likely to occur for perpendicular and retrograde precession. The precession driven turbulence is a complex scenario determined by the coexistence of geostrophic vortices (called also condensates), a typical feature of rotating turbulence prone to an inverse cascade of energy, and small scale 3D waves characterized by a direct energy cascade. We observe the interaction of these two structures as being governed by a clear hierarchy.show moreshow less
  • Es wird angenommen, dass präzessionsgetriebene Strömungen eine wichtige Rolle in der Planetendynamik spielen, z. B. bei atmosphärischen Phänomenen, und dass sie eine ergänzende Energiequelle für die homogene Dynamowirkung, d. h. die Selbsterzeugung planetarischer Magnetfelder, darstellen. Präzessionsbewegungen treten auf, wenn sich ein Körper um eine Achse dreht, die ihrerseits um eine andere Achse rotiert. Der Haupteinfluss dieses Antriebsmechanismus ist ein gyroskopischer Effekt auf die Fluidströmung, der selbst im laminaren Bereich eine wellenförmige Dynamik hervorruft. Wenn die Antriebsgröße stark genug ist, durchläuft die Strömung eine Reihe von Phänomenen wie Instabilitäten, resonante Wechselwirkungen zwischen Wellen und den Übergang zur Turbulenz, deren Auftreten von der Behälterform und dem Winkel zwischen den beiden Achsen abhängt. Obwohl es für viele Phänomene eine zufriedenstellende Erklärung gibt, sind andere noch immer schwer fassbar und bedürfen weiterer Untersuchungen. Das Interesse an mäßigen bis großen Kräften istEs wird angenommen, dass präzessionsgetriebene Strömungen eine wichtige Rolle in der Planetendynamik spielen, z. B. bei atmosphärischen Phänomenen, und dass sie eine ergänzende Energiequelle für die homogene Dynamowirkung, d. h. die Selbsterzeugung planetarischer Magnetfelder, darstellen. Präzessionsbewegungen treten auf, wenn sich ein Körper um eine Achse dreht, die ihrerseits um eine andere Achse rotiert. Der Haupteinfluss dieses Antriebsmechanismus ist ein gyroskopischer Effekt auf die Fluidströmung, der selbst im laminaren Bereich eine wellenförmige Dynamik hervorruft. Wenn die Antriebsgröße stark genug ist, durchläuft die Strömung eine Reihe von Phänomenen wie Instabilitäten, resonante Wechselwirkungen zwischen Wellen und den Übergang zur Turbulenz, deren Auftreten von der Behälterform und dem Winkel zwischen den beiden Achsen abhängt. Obwohl es für viele Phänomene eine zufriedenstellende Erklärung gibt, sind andere noch immer schwer fassbar und bedürfen weiterer Untersuchungen. Das Interesse an mäßigen bis großen Kräften ist insbesondere durch den Bedarf an theoretischer Unterstützung für das bevorstehende DRESDYN (DREsden Sodium facility for DYNnamo and thermohydraulic studies) Präzessions-Experiment motiviert, dessen Hauptzweck darin besteht, die Fähigkeit eines präzessierenden Fluidsystems zur Erzielung eines Dynamoeffekts zu testen. Hier ist die Möglichkeit, ein Magnetfeld zu erzeugen, mit dem Auftreten von drei großräumigen Strukturen in der Massenströmung verbunden: eine direkt erzwungene stehende Welle, poloidale Wirbel und eine geostrophische achsensymmetrische Strömung. In dieser Arbeit verwenden wir numerische Simulationen, um das Strömungsverhalten in einem flüssigkeitsgefüllten präzessiven Zylinder zu untersuchen und zu verstehen. Wir verwenden zwei Arten von Ansätzen: eine globale Studie, um großräumige Phänomene und das daraus resultierende magnetohydrodynamische Verhalten zu untersuchen, und ein lokales Modell, um die Eigenschaften der durch Präzession erzwungenen Turbulenz zu analysieren und zu enthüllen. Das Verhalten der Massenströmung zeigt je nach Bewegungsrichtung unterschiedliche Reaktionen: Während die prograde Präzession einen steilen Übergang zur Turbulenz zeigt, wenn die Stärke des Antriebs erhöht wird, mit einem deutlichen Zusammenbruch des direkt erzwungenen Modus, zeigt die retrograde Präzession eine viel sanftere Veränderung. Eine ähnliche Unterscheidung wurde auch für die Dynamowirkung gefunden, die bei senkrechter und retrograder Präzession wahrscheinlicher ist. Die präzessionsgetriebene Turbulenz ist ein komplexes Szenario, das durch die Koexistenz von geostrophischen Wirbeln (auch Kondensate genannt), einem typischen Merkmal rotierender Turbulenz, die zu einer inversen Energiekaskade neigt, und kleinräumigen 3D-Wellen, die durch eine direkte Energiekaskade gekennzeichnet sind, bestimmt wird. Wir beobachten, dass die Interaktion dieser beiden Strukturen von einer klaren Hierarchie bestimmt wird.show moreshow less

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Metadaten
Author: Federico PizziORCiD
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-64218
DOI:https://doi.org/10.26127/BTUOpen-6421
Referee / Advisor:Prof. Dr. Uwe HarlanderORCiD, Prof. Dr. Andreas TilgnerORCiD, Dr. Frank StefaniORCiD
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2023
Date of final exam:2023/06/07
Release Date:2023/07/10
Tag:Dynamo-Aktion; Inertialwellen; Präzessionsgetriebene Strömungen; Rotierende Turbulenzen
Dynamo action; Inertial waves; Precession-driven flows; Rotating turbulcence
GND Keyword:Turbulente Strömung; Atmosphärische Turbulenz; Inertialsystem; Dynamotheorie; Gyroskop
Institutes:Fakultät 3 Maschinenbau, Elektro- und Energiesysteme / FG Aerodynamik und Strömungslehre
Licence (German):Creative Commons - CC BY - Namensnennung 4.0 International
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