METSTRÖM

BTU-Lehrstuhl an neuem bundesweiten DFG-Schwerpunktprogramm "METSTRÖM" mit Referenzexperimenten beteiligt:

Das neue DFG-Schwerpunktprogramm "Skalenübergreifende Modellierung der Strömungsmechanik und Meteorologie (METSTRÖM)", SPP 1276, (Koordination durch Prof. Rupert Klein, PIK, Potsdam) soll durch wissenschaftliche Interaktion zwischen den Disziplinen Meteorologie, Strömungsmechanik und Angewandter Mathematik Konzepte für modell- und gitteradaptive numerische Simulationsverfahren entwerfen. Diese sollen auf eine Vielzahl meteorologischer und strömungsmechanischer Aufgabenstellungen anwendbar sein und mit ausgewählten Referenzexperimenten verglichen werden. Die Anwendungen sind so gewählt, dass sie in dem für Meteorologie und Strömungsmechanik gleichermaßen interessanten Bereich von Raum- und Zeitskalen liegen. Insbesondere konzentrieren sich die beteiligten Forschungsprojekte auf folgende Teilbereiche:

Skalenseparierte Phänomene

In einer Vielzahl meteorologischer und strömungsmechanischer Anwendungen findet man ein Wechselspiel zwischen Wellen und Wirbeln auf unterschiedlichen Skalen.

Große Skalen der Turbulenz

In Grenzschichten über komplexen Berandungen finden Wechselwirkungen zwischen großskaliger Strömungsdynamik auf der typischen Längenskala der größeren geometrischen Elemente der Berandung mit der von dieser erzeugten Turbulenz statt.

Kleine Skalen der Turbulenz

Auch auf kleinen Skalen findet man skalenübergreifenden Massen-, Impuls- und Energieaustausch. So erfordert die Berücksichtigung kleiner Partikel oder Tropfen in einer auftriebsbehafteten Strömung die Anbindung der Partikeldynamik an die kleinsten Skalen der Turbulenz.

Referenzexperimente

Referenzexperimente werden im Labor zur Validierung der im Schwerpunktprogramm entwickelten Modelle und numerischen Verfahren durchgeführt.

Als BTU-Referenzexperiment für das Schwerpunktprogramm METSTRÖM hat der Lehrstuhl Aerodynamik und Strömungslehre (LAS) ein Experiment vorgeschlagen und genehmigt bekommen, das im Rahmen eines DFG-Einzelvorhabens vor einigen Jahren bereits erfolgreich am Lehrstuhl aufgebaut wurde. Es handelt sich um die thermisch getriebene Strömung in einem rotierenden Zylinderspalt (Barokliner Wellentank). Dieses Experiment ist als ein anerkanntes Modell für meteorologisch, geophysikalisch, aber auch strömungsmechanisch motivierte Untersuchungen zur Koexistenz von groß- und kleinräumigen Strömungsstrukturen als Referenzexperiment für METSTRÖM besonders geeignet. Die im Referenzexperiment geplanten Untersuchungen in Phase 1 beziehen sich auf die Charakterisierung bisher nur sehr wenig untersuchter koexistierender groß- und kleinräumiger Strukturen beim Übergang in die Turbulenz (irreguläre Strömung). Die gewonnenen experimentellen Messdaten und Ergebnisse werden den numerischen Arbeitsgruppen innerhalb des Schwerpunktprogramms als Benchmarkdaten zur Verfügung gestellt. Dazu wird ein starr rotierender Zylinderspalt verwendet, der innen gekühlt und außen beheizt werden kann (vgl. Abb. 1). Durch Variation der Rotationsfrequenz und der Temperaturdifferenz können in dieser Geometrie sowohl "jet stream"-artige stabile (meanderförmige) als auch irreguläre, koexistierende groß- und kleinräumige Strömungsmuster sowie turbulente Strukturen erzeugt werden, die den gleichen physikalischen Mechanismus aufweisen wie Strömungen in der Atmosphäre und im Ozean (vgl. Abb. 2).

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