Pullmann, Michael: Multidiffusive Konvektion mit Koagulation und Breakup : Numerische Untersuchungen zur Erweiterung der thermo-diffusiv-sedimentären Konvektion auf veränderliche Partikelgrößen. - Bonn, 2003. - Dissertation, Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn.
Online-Ausgabe in bonndoc: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:hbz:5n-03192
@phdthesis{handle:20.500.11811/1970,
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author = {{Michael Pullmann}},
title = {Multidiffusive Konvektion mit Koagulation und Breakup : Numerische Untersuchungen zur Erweiterung der thermo-diffusiv-sedimentären Konvektion auf veränderliche Partikelgrößen},
school = {Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn},
year = 2003,
note = {Gegenstand dieser Arbeit ist die Konzeption, Entwicklung und Untersuchung eines neuen Ansatzes zum Studium thermo-diffusiv-sedimentärer Konvektionssysteme für verschiedene Partikelgrößenklassen mit integrierten Koagulations- und Breakup-Prozessen.
Thermo-diffusiv-sedimentäre Konvektionssysteme (TDSC) beschreiben die kriechende Strömung eines Suspensats aus einem Fluid mit festen Partikeln. Vorhergehende Studien von TDSC haben gezeigt, daß die sich einstellenden Systemzustände stark von der Partikelgröße abhängen. Die Erweiterung des TDSC-Systems auf unterschiedliche Partikelgrößen ermöglicht die Analyse dieser Abhängigkeit. Die Implementierung eines Koagulations- und eines Breakup-Prozesses gestattet es, dynamische Veränderungen der Partikelgrößenverteilung zu simulieren.
Bei den Untersuchungen konnte eine bislang in Modellen nicht bekannte Form episodischen Systemverhaltens nachgewiesen werden. Diese kann anhand des zwischenzeitlich vollständigen Absterbens der Konvektion eindeutig von den pulsatorischen Zuständen unterschieden werden. Episodischen Zustände sind somit durch abwechselnde Phasen von relativ kurzen konvektiven und relativ langen Phasen nicht-konvektiven Systemverhaltens gekennzeichnet. Während der letzteren wird die Partikelgrößenverteilung durch die Koagulations- und Breakup-Prozesse in einer Weise geändert, die das Einsetzen der Konvektion auslöst. Das episodische Systemverhalten durchläuft daher aus systemtheoretischer Sicht qualitativ verschiedene Phasen, während jene der pulsatorischen Konvektion sich lediglich quantitativ unterscheiden.
Die beobachteten episodischen Systemzustände können als eine Folge unterschiedlicher Zeitskalen von Koagulations- und Breakup-Prozessen auf der einen Seite und Fließprozessen auf der anderen Seite aufgefaßt werden. Sie konnten nicht nur für verschiedene Breakup-Mechanismen, sondern auch für eine Variation der Koagulationswahrscheinlichkeit über mehrere Größenordnungen nachgewiesen werden. Unter den Breakup-Mechanismen haben jene mit einer stärker als proportional zum Volumen wachsenden Zerfallswahrscheinlichkeit dem Konvektionssystem die meisten Entfaltungsmöglichkeiten eröffnet. Die Koagulationswahrscheinlichkeit selbst zeigt eine der Spreizung der Sinkgeschwindigkeitsskala vergleichbare Wirkung.
Das erweiterte Konvektionsmodell ermöglicht es, Mikro- und Makroskala der Ausprägung von Systemzuständen eingehender zu studieren. Dazu galt es eine Kombination aus einer diskreten mit einer Kontinuumsbeschreibung der Konzentration unter Verwendung von Partikelanzahldichten zu entwickeln. Das Vorhaben einer natürlichen Erweiterung der Konzentrationsrandwertbedingungen des TDSC-Modells mußte verworfen werden, da diese zumeist den Freiheitsgrad der Anpassung des Partikelgrößenspektrums aufhebt.
Die Erweiterung des TDSC-Modells auf veränderliche Partikelgrößen verbessert das Verständnis des Strukturbildungsprozesses der Schichtbildung. Es ist gelungen, ein Schema der prinzipiellen Abfolge der Systemzustände unter Erhöhung der Sedimentationsgeschwindigkeit zu erstellen. Neben der Ausbildung eines neuen Systemzustandes ließen sich auch veränderte Mechanismen der Entstehung bereits bekannter Systemzustände beobachten. Die Entwicklung bimodaler Partikelgrößenverteilungen und damit die Bevorzugung zweier relativ unterschiedlicher Partikelgrößen konnte nachgewiesen werden. Damit war es möglich, zu einem vertieften Verständnis der Konvektionsströmungen im Erdinneren beizutragen.},

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