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| Book/Report | FZJ-2019-01771 |
1996
Forschungszentrum Jülich GmbH Zentralbibliothek, Verlag
Jülich
Please use a persistent id in citations: http://hdl.handle.net/2128/21795
Report No.: Juel-3332
Abstract: Strukturbildung ist ein in fast allen Naturwissenschaften und in vielen technischen Prozessen auftretendes Phänomen. Zur Untersuchung der Mechanismen werden in der Physik eine Vielzahl von Experimenten durchgeführt und Theorien entwickelt. In diesen Experimenten und Theorien bleiben Inhomogenitäten an Randbedingungen meistens unbeachtet, um theoretische Beschreibungen möglichst einfach zu halten und in Experimenten wesentliche Effekte voneinander zu trennen. Die Beachtung der in der Realität immer vorhandenen Inhomogenitäten kann allerdings für die Erklärung des Strukturbildungsprozesses essentiell sein und ihr gezielter Einbau in Experimente zu völlig neuen Strukturen führen. Daher wird in dieser Arbeit mit analytischen und numerischen Methoden untersucht, welche Auswirkungen periodische Inhomogenitäten auf die Strukturbildung haben. Aus der Vielzahl der Systeme, die eine Verzweigung in eine periodische Struktur zeigen, wird konkret die Rayleigh-Bénard-Konvektion als einfaches und gut verstandenes Beispiel untersucht. In einer von unten geheizten Flüssigkeitsschicht entstehen dabei aus der ruhendenFlüssigkeit bei Überschreiten ein kritischen Heiztemperatur Konvektionsrollen. Ansatzpunkte für die Inhomogenitäten sind die Rauhigkeit und ungleichmäßige Wärmeleitung der Begrenzungsplatten. Durch räumlich periodische Modulation der Geometrie der Zelle und der Temperaturprofile können gezielt Inhomogenitäten eingebracht und ihre Auswirkungen untersucht werden. Dabei wird erstmals für ein reales System gezeigt, wie durch die mit Inhomogenitäten verbundenen Symmetriebrüche raumzeitliches Chaos induziert wird. Die vor kurzen erst entdeckte Spiralturbulenz in der Rayleigh-Benard-Konvektion ist ein Beispiel für einen chaotischen Strukturbildungsprozess. Für dieses System wird gerade die Umkehrung demonstriert, indem durch Inhomogenitäten raumzeitliches Chaos einfriert und neuartige Strukturen entstehen. Darüber hinaus werden in der Arbeit neuartige, durch periodische Inhomogenitäten hervorgerufene Orientierungsoszillationen vorgestellt und ein entsprechendes realisierbares Experiment beschrieben, sowie ein unerwarteter Mechanismus diskutiert, der zu rechteckigen Strukturen führt.Durch lang wellige räumlich periodische Modulation der Geometrie einer Rayleigh-Bénard-Zelle [...]
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