|
|
Quantum fluid dynamics and quantum turbulence probed using micro- and nano-resonators
Midlik, Šimon ; Schmoranzer, David (vedoucí práce) ; Haley, Richard (oponent) ; Skyba, Peter (oponent)
Táto Práca predstavuje rozsiahlu štúdiu dynamiky kvantových kvapalín prostredníc- tvom ponorených mechanických rezonátorov o rozmeroch menších ako milimeter. Tieto detektory boli použité pre výzkum normálnej aj supratekutej kvapalnej fáze oboch izoto- pov hélia v širokom rozsahu tepl̂ot od 2.17 K po ≈ 150 µK. Rezonátory vo forme kremen- ných ladičiek a supravodivých vibtujúcich dr̂otikov sa ukázali byť vhodným nástrojom ako v hydrodinamickej limite tak aj balistickej limite supratekutého hélia popísaného dvojzložkovým modelom. V našich experimentoch možeme použiť tieto rezonátory nielen k vybudeniu turbulentného prúdenia ale aj k detekcii turbulencie v prúdení generovanom externými zdrojmi. K tomuto účelu prezentujeme charakterizačné merania na lokálnej úrovni s vibrujúcim dr̂otikom v tepelnom protiprúde a porvnávame ich s výsledkami me- tódy tlmenia druhého zvuku. Súčasťou Práce je ďalej charakterizácia prvotnej nestability, ktorá vzniká v oscilačných prúdeniach budených buď mechanicky alebo tepelne a jej pô- vod v normálnej či supratekutej zložke supratekutého hélia m̂ože byť identifikovaný na základe vhodného bezrozmerného parametru. Tieto merania umožnujú vysvetliť nejas- nosti v určovaní kritickej rýchlosti v predchádzajúcich experimentoch pojednávajúcich oscilačný protiprúd. Na záver diskutujeme...
|
|
|
Mathematical modelling of selected problems in cryogenic fluid mechanics
Hodic, Jan ; La Mantia, Marco (vedoucí práce) ; Kreml, Ondřej (oponent)
Termodynamika nízkoteplotních tekutin, jako například helium 4, je otevřený vědecký problém. Experimentální stadium podobností a rozdílů mezi kvantovou (supratekutou) a klasickou (viskózní) je specifickou, dynamicky se rozvíjející oblastí vědeckého bádání, které již vedlo ke značnému pokroku našeho fenomenologického pochopení základní fyziky. To také vedlo k objevu, že úplný úplný teoretický popis dané problematiky stále není k dispozici, tak jako například v pozorovaném chování pevných těles. Práce má za cíl odvodit existenci slabého nebo silného řešení rovnic, odpovídajících Landauovu modelu supratekutého helia 4 a jejich vlastnosti.
|
|
|
Sféricky symetrický tepelný protiproud supratekutého hélia
Novotný, Filip ; Schmoranzer, David (vedoucí práce) ; Kohout, Jaroslav (oponent)
Hlavním cílem této práce byl výzkum kvantové turbulence v suprateku- tém heliu ve speciálním typu proudění, sféricky symetrickém tepelném pro- tiproudu. Za tímto účelem byla navržena a na 3D tiskárně vyrobena sférická cela. Kvantová turbulence byla měřena tradiční metodou tlumení druhého zvuku. Sledován byl jak ustálený stav kvantové turbulence tak i její časový rozpad. Získaná závislost hustoty kvantovaných vírů L na rychlostí tepel- ného protiproudu vns, kdy data sledují L ∝ v3/2 ns , neodpovídá očekávání dle Vinenovy rovnice, která předpovídá L ∝ v2 ns. Z měření rozpadu turbulence v závislosti na čase t byla zjištěna závislost L ∝ t−1 , která v tomto případě pa- radoxně velmi dobře splňuje rozpadový mód vyplývající z Vinenovy rovnice. Sféricky symetrický tepelný protiproud tedy slibuje do budoucna zajímavé fyzikální otázky a bude i nadále předmětem vědeckého zájmu. 1
|
|
|
Steady state and decay of quantum turbulence generated in channel flows and detected by second sound attenuation
Varga, Emil ; Skrbek, Ladislav (vedoucí práce) ; Vinen, William Frank (oponent)
Steady state and decay of quantum turbulence generated in channel flows and detected by second sound attenuation Bc. Emil Varga Abstrakt Kvantová turbulencia je študovaná v supratekutom 4 He za klasického prúdenia. Turbulencia je generovaná prúdením cez 7 × 7 mm štvorcový kanál s regu- larizáciou prúdenia na vtoku buď s dodatočnou mriežkou alebo bez nej. Prúdenie je vyvolané mechanicky, stláčaním nerezového vlnovca. Hustota vírových čiar je meraná pomocou tlmenia druhého zvuku v ustálenom stave a v rozpade tur- bulencie v rozmedzí teplôt 1.17 - 2.16 K. V ustálenom stave je pozorované teplotne nezávislé škálovanie hustoty vírových čiar s rýchlosťou prúdu v tvare L ∝ V 3/2 . V rozpade je pozorovaná, pre veľké časy, pre mriežkovú turbulenciu typická závislosť L ∝ t−3/2 . Oboje pozorovania sú vysvetlené na základe kvazi- klasického modelu kvantovej turbulencie, ktorý dovoľuje výpočet efektívnej kine- matickej viskozity supratekutého hélia νeff. Tieto zhruba súhlasia s hodnotami dostupnými v literatúre. Taktiež sú vyvinuté dva modely založené na teórií protiprúdu a je tiež študovaný vplyv nehomogenity rozloženia hustory vírových čiar na meraciu techniku.
|
|
|
Mathematical modelling of selected problems in cryogenic fluid mechanics
Hodic, Jan ; La Mantia, Marco (vedoucí práce) ; Schmoranzer, David (oponent)
Termodynamika nízkoteplotních tekutin, jako například helium 4, je otevřený vědecký problém. Experimentální stadium podobností a rozdílů mezi kvantovou (supratekutou) a klasickou (viskózní) je specifickou, dynamicky se rozvíjející oblastí vědeckého bádání, které již vedlo ke značnému pokroku našeho fenomenologického pochopení základní fyziky. To take vedlo k objevu, že úplný úplný teoretický popis dané problematiky stále není k dispozici, tak jako například v pozorovaném chování pevných těles. Práce má za cíl odvodit existence slabého řešení rovnic, odpovídajících Landauovu modelu supratekutého helia 4 a jejich přibližná numerická schemata.
|
|
|
Generation and detection of quantum turbulence in He II by second sound
Midlik, Šimon ; Schmoranzer, David (vedoucí práce) ; La Mantia, Marco (oponent)
V tejto práci prezentujeme výsledky nášho výskumu kvantovej turbulencie generovanej oscilujúcim protiprúdom normálnej a supratekutej zložky He II, v nadväznosti na predošlé experimenty kanálového prúdenia supratekutého hélia vo forme tepelného protiprúdu (counterflow), spoločného prúdenia oboch zložiek (coflow) a prúdenia čisto supratekutej zložky (superflow). Zamerali sme sa na štúdium vývoja, stacionárneho stavu a rozpadu skúmanej turbulencie v závislosti na použitom harmonickom móde pre tri rôzne teploty 1,45 K, 1,65 K a 1,83 K . K určeniu množstva generovaných kvantovaných vírov sme využili metódu tlmenia signálu druhého zvuku budeného s nízkou amplitúdou kolmo na dĺžku kanála. Výsledkom práce je popis kritických parametrov a ich hodnôt inicializujúcich generáciu kvantovej turbulencie pre oscilujúci protiprúd. V prípade meraní rozpadu kvantovej turbulencie sa nám podarilo rozlíšiť dva typy rozpadov, a to Vinenov typ a Kolmogorov typ prebiehajúcich v pozorovanej turbulencii.
|
|
|
Quantum turbulence in superfluid helium studied by particle tracking velocimetry visualization technique
Duda, Daniel ; Skrbek, Ladislav (vedoucí práce) ; Chára, Zdeněk (oponent) ; Skyba, Peter (oponent)
◆á③❡✈ ♣rá❝❡✿ ❑✈❛♥t♦✈á t✉r❜✉❧❡♥❝❡ ✈ s✉♣r❛t❡❦✉té♠ ❤é❧✐✉ st✉❞♦✈❛♥á ✈✐③✉❛❧✐③❛✲ ↔♥í♠✐ ♠❡t♦❞❛♠✐ ❆✉t♦r✿ ❘◆❉r✳ ❉❛♥✐❡❧ ❉✉❞❛ ❑❛t❡❞r❛✿ ❑❛t❡❞r❛ ❢②③✐❦② ♥í③❦ý❝❤ t❡♣❧♦t ❱❡❞♦✉❝í✿ ♣r♦❢✳ ❘◆❉r✳ ▲❛❞✐s❧❛✈ ❙❦r❜❡❦✱ ❉r❙❝✳ ❆❜str❛❦t✿ ❖s❝✐❧❛↔♥í ♣r♦✉❞➙♥í ✈ s✉♣r❛t❡❦✉té♠ ❛ ♥♦r♠á❧♥í♠ ❤é❧✐✉ ❜②❧❛ ③❦♦✉♠á♥❛ ✈✐③✉❛❧✐③❛↔♥í ♠❡t♦❞♦✉ s❧❡❞♦✈á♥í tr❛s♦✈❛❝í❝❤ ↔ást✐❝ ♣❡✈♥é❤♦ ❞❡✉t❡r✐❛ ♦ ♠✐❦r♦♠❡✲ tr♦✈é ✈❡❧✐❦♦st✐ s❡ ③❛♠➙➦❡♥í♠ ♥❛ ♠ír✉ ♣♦❞♦❜♥♦st✐ ↔✐ r♦③❞í❧♥♦st✐ ♠❡③✐ ❍❡ ■✱ ❦t❡ré ❥❡ ❦❧❛s✐❝❦♦✉ ✈✐s❦ó③♥í ❦❛♣❛❧✐♥♦✉✱ ❛ ❍❡ ■■✱ ❥❡➸ ❥❡ s✉♣r❛t❡❦✉té ❛ ❥❡❤♦➸ ❝✐r❦✉❧❛❝❡ ❥❡ ❦✈❛♥t♦✈❛♥á✳ ❱ ♣rá❝✐ ❥s♦✉ ♣♦♣sá♥② ✈ýs❧❡❞❦② tr♦❥✐❝❡ ❡①♣❡r✐♠❡♥t➲✿ ú♣❧❛✈ ③❛ r❡❧❛✲ t✐✈♥➙ ♣♦♠❛❧✉ ❦♠✐t❛❥í❝í ♣➦❡❦á➸❦♦✉ s r❡❧❛t✐✈♥➙ ✈❡❧❦ý♠ r♦③❦♠✐t❡♠ ✭sr♦✈♥❛t❡❧♥ý♠ s ✈❡❧✐❦♦stí ♣➦❡❦á➸❦②✮✱ st❛❝✐♦♥ár♥í ♣r♦✉❞➙♥í ✭❛♥❣❧✳✿ ✒str❡❛♠✐♥❣✏ ✮ ✈ ♦❦♦❧í r②❝❤❧❡ ❦♠✐t❛❥í❝í ❦➦❡♠❡♥♥é ❧❛❞✐↔❦② s ♥í③❦♦✉ ❛♠♣❧✐t✉❞♦✉ ✭✈③❤❧❡❞❡♠ ❦ ❥❡❥í ✈❡❧✐❦♦st✐✮ ❛ ❦❛✈✐t❛❝❡ ✈ ♦❦♦❧í ❥✐♥é r②❝❤❧❡ ❦♠✐t❛❥í❝í ❦➦❡♠❡♥♥é ❧❛❞✐↔❦②✳ ❍❧❛✈♥í♠ ✈ýs❧❡❞❦❡♠ ❥❡ ♣♦③♦r♦✈á♥í✱ ➸❡ ♦❞♣♦✈í❞❛❥í❝í ♣r♦✉❞➙♥í ✈ ❍❡ ■ ❛ ■■ s✐ ❥s♦✉ ♥❛ ✈❡❧❦ý❝❤ ♠➙➦ít❦á❝❤ ✈③á✲ ❥❡♠♥➙ ♣♦❞♦❜♥á✱ ③❛tí♠❝♦ ♥❛ ♠❛❧ý❝❤ ✈②❦❛③✉❥í ♥❛♣r♦st♦ r♦③❞í❧♥é st❛t✐st✐❝❦é ✈❧❛st✲ ♥♦st✐✳ ◆❛✈í❝ ✈ ♣➦í♣❛❞➙ ❍❡ ■■ ❥s♦✉ t②t♦ st❛t✐st✐❝❦é ✈❧❛st♥♦st✐ ✉♥✐✈❡r③á❧♥í ✈❡ s♠②s❧✉ ♥❡③á✈✐s❧♦st✐ ♥❛ ❞r✉❤✉ ③❦♦✉♠❛♥é❤♦ ♣r♦✉❞➙♥í ❛ ❥s♦✉ st❡❥♥é ❥❛❦♦ ✈ ♣➦í♣❛❞➙ t❡♣❡❧♥é❤♦ ♣r♦t✐♣r♦✉❞✉ s✉♣r❛t❡❦✉té ❛ ♥♦r♠á❧♥í s❧♦➸❦② ❍❡ ■■✱ ❝♦➸ ❥❡ ❦✈❛♥t♦✈ý ❞r✉❤ t❡♣❡❧♥é ❦♦♥✈❡❦❝❡...
|
|
|
Investigation of quantum turbulence using microresonators
Midlik, Šimon ; Schmoranzer, David (vedoucí práce) ; Kohout, Jaroslav (oponent)
Hlavným cieľom tejto práce je konštrukcia nízkoteplotnej aparatúry umožňujúcej výskum kvantovej turbulencie v supratekutom héliu (He II) pomocou mikrorezonátoru a štúdium prechodu k turbulencii v oscilačnom prúdení He II v rozmedzí teplôt 2,170 K až 1,293 K. Bola navrhnutá a skonštruovaná aparatúra pozostávajúca z supravodivého vibrujúceho mikrodrôtiku a tzv. fontánovej pumpy, ktorú sme po charakterizácii oboch zariadení využili na štúdium nestabilít vznikajúcich v prúdení He II. Konkrétne sme sa zamerali na otázku, či ich pôvod môžeme hľadať v klasickej turbulencii normálnej zložky supratekutého hélia, podobne ako je tomu v prípade známych oscilujúcich ladičiek alebo je za nestability oscilačného prúdenia vznikajúce v okolí mikrorezonátoru zodpovedný vznik kvantovaných vírov v supratekutej zložke He II. Aby sme tieto nestability mohli rozlíšiť, boli z Navierových- Stokesových rovníc odvodené zákonitosti škálovania odporových síl v klasickom oscilačnom prúdení, ktoré sme aplikovali na normálnu zložku supratekutého hélia. To nám mimo iné umožnilo taktiež overiť rozsah platnosti fungovania mikrorezonátoru vo vysokofrekvenčnej limite oscilačného prúdenia. Na záver sme preskúmali, či je možné aby mikrorezonátor principiálne fungoval ako detektor stacionárneho prúdenia vyvolávaného fontánovou pumpou a naše...
|
|
|
Visualization of particle motions in superfluid helium flows
Švančara, Patrik ; La Mantia, Marco (vedoucí práce)
Proudění normálního a supratekutého 4 He (He I a He II) je studováno experimentálně. Relativně malé částice tuhého vodíku a deuteria jsou rozptýleny v experimentálním objemu a jejich pohyb je sledován v mechanicky a tepelně generovaném proudění. Studovány jsou statistické distribuce rychlostí a rychlostních přírůstků na škálach, které jsou menší i větší než je střední vzdálenost mezi kvantovanými víry, tzn. kvantová délková škála zkoumaného proudění. Ukážeme, že na malých škálách je pozorována dynamika částic v He II silně ovlivněna dynamikou kvantovaných vírů. Navíc ukazujeme, že toto správání je nezávislé na příslušném velkoškálovém proudění. Naproti tomu pozorujeme, že na velkých škálách je pohyb částic kvaziklasický, tzn. velmi podobný tomu, ke kterému dochází v proudění viskózních tekutin. Tato práce posilňuje myšlenku blízké podobnosti viskózního proudění a velkoškálového (mechanicky generovaného) proudění He II, a současně zdůrazňuje rozdíly na malých škálách v důsledku přítomnosti kvantovaných vírů v He II.
|
|
|
Sféricky symetrický tepelný protiproud supratekutého hélia
Novotný, Filip ; Schmoranzer, David (vedoucí práce) ; Kohout, Jaroslav (oponent)
Hlavním cílem této práce byl výzkum kvantové turbulence v suprateku- tém heliu ve speciálním typu proudění, sféricky symetrickém tepelném pro- tiproudu. Za tímto účelem byla navržena a na 3D tiskárně vyrobena sférická cela. Kvantová turbulence byla měřena tradiční metodou tlumení druhého zvuku. Sledován byl jak ustálený stav kvantové turbulence tak i její časový rozpad. Získaná závislost hustoty kvantovaných vírů L na rychlostí tepel- ného protiproudu vns, kdy data sledují L ∝ v3/2 ns , neodpovídá očekávání dle Vinenovy rovnice, která předpovídá L ∝ v2 ns. Z měření rozpadu turbulence v závislosti na čase t byla zjištěna závislost L ∝ t−1 , která v tomto případě pa- radoxně velmi dobře splňuje rozpadový mód vyplývající z Vinenovy rovnice. Sféricky symetrický tepelný protiproud tedy slibuje do budoucna zajímavé fyzikální otázky a bude i nadále předmětem vědeckého zájmu. 1
|
host ::
RSS.