Experimental investigations of liquid helium flows

Abstract

Experimentální studium proudění tekutého helia Vybraná turbulentní proudění He II, supratekuté fáze kapalného 4 He, jsou ex- perimentálně studována. Pro přímou detekci klubka kvantovaných vírů, tenkých topologických defektů supratekuté kapaliny, je využita metoda tlumení druhého zvuku, zatímco pro vizualizaci celkového proudění kapaliny metodou sledování trasovacích částic jsou v He II rozptýleny malé částice tuhého vodíku. Stálý tepelný protiproud v kanále se čtvercovým průřezem je zkoumán na základě známých mechanizmů interakce částic s víry. Ukazujeme, že podél výšky kanálu (v blízkosti topení jež proudění vytváří) se rozvine značná nehomogenita hus- toty vírového klubka. V turbulentním proudění He II jsou nalezeny mechanizmy přenosu energie, které se významně liší od mechanizmů přenosu energie v turbu- lentních prouděních viskózních tekutin. Dále pozorujeme jak jednotlivé částice v protiproudu intermitentně střídají dva režimy pohybu podél svých trajektorií; tyto režimy jsou v práci identifikovány a kvalitativně popsány. Navíc je v He II pomocí protiproudu realizován stálý paprsek, v němž je studováno prostorové rozložení vírového klubka. V He II jsou též pozorovány tepelně...

Experimental investigations of liquid helium flows Selected turbulent flows of He II, the superfluid phase of liquid 4 He, are inves- tigated experimentally. The second sound attenuation technique is employed to directly probe the tangle of quantized vortices, thin topological defects within the superfluid, while relatively small particles made of solid hydrogen are dispersed in He II to visualize the overall flow of the liquid via the particle tracking ve- locimetry. Considering the known particle-vortex interaction mechanisms, steady thermal counterflow in a square channel is investigated. Significant inhomogene- ity of the vortex tangle density along the channel height (near the flow-generating heater) is shown to develop. The means of energy transport in turbulent flows of He II are found strikingly different from those taking place in turbulent flows of viscous fluids. Moreover, individual particles in counterflow are observed to intermittently switch between two distinct motion regimes along their trajecto- ries. The regimes are identified and qualitatively described. Steady counterflow jets in He II are realized and the spatial arrangement of the underlying vortex tangle is explored. Finally, macroscopic vortex rings are thermally generated and observed in He II. A method for tracking their...