Experimental and numerical investigation of quantum turbulence in He II

Abstract

Supratekuté 4 He (He II) je kvantová tekutina ktorej prúdenie je silne ovplyv- nené kvantovo-mechanickými javmi. Táto dizertačná práca predstavuje experi- mentálne a numerické štúdium turbulentného prúdenia v He II - tzv. kvan- tová turbulencia. Experimentálne je kvantová turbulencia študovaná v tepelnom protiprúde, v čistom supratoku a koprúde pomocou tlmenia druhého zvuku, precíznej lokálnej termometrie a pomocou vizualizácie héliových excimérových molekúl. Skúmaný je ustálený stav a rozpad hustoty vírových čiar v čistom sup- ratoku a v protiprúde a univerzálny kváziklasicý rozpad je charakterizovaný me- raniami efektívnej viskozity. Všeobecné dynamické správanie je študované de- tailne pre nestacionárny tepelný protiprúd, kde sú testované viaceré teoretické modely. Je navrhnutý nový model, v ktorom stredná krivost' vírového klbka závisí na hustote vírových čiar. Teplotná závislost' a zosilnenie intermitencie v kváziklasickom prúdení v brázde pohybujúcej sa mriežky boli pozorované pomo- cou vizualizácie. Numericky bola študovaná interakcia vírového klbka s pevnými trasovacími časticami, kde bola zistená spätná reakcia klbka na častice a dis- kutovaná je relevancia tohto javu pre vizualizačné experimenty....

Superfluid 4 He (He II) is a quantum liquid whose flow is strongly affected by quantum mechanical effects. This thesis presents experimental and numerical studies of turbulent flows in He II - quantum turbulence. Experimentally, quan- tum turbulence is investigated in thermal counterflow, pure superflow and coflow using second sound attenuation, precision local thermometry and by visualisa- tion of helium excimer molecules. The steady state and decay of the vortex line density in pure superflow and counterflow is studied and the universal quasi clas- sical decay is characterised by measurements of the effective kinematic viscosity. General dynamical behaviour is studied in detail in unsteady thermal counter- flow, with various theoretical models tested. A new model where the mean tangle curvature is dependent on the vortex line density is proposed. Temperature de- pendence and enhancement of intermittency in quasi-classical flow in the wake of a moving grid is found using visualisation. Numerically, the interaction of the tangle of quantized vortices with solid tracers is investigated, where a back reaction of the seeding particles on the tangle is identified and its relevance to visualisation experiments is discussed. Additionally, an interesting and as-yet overlooked spherical counterflow is...