Strömungsmechanik

DFG FOR 1182 „Turbulenz“ Gesamtprojekt: Wandnahe Transport- und Strukturbildungsprozesse in turbulenten Rayleigh-Bénard-, Taylor-Couette- und Rohrströmungen)

Die Beschreibung turbulenter Strömungen ist nach wie vor eine der größten Herausforderungen in den Ingenieurwissenschaften und der klassischen Physik. Die großen räumlich-zeitlichen Fluktuationen und die starken Kopplungen zwischen Strukturen auf verschiedenen Längen- und Zeitskalen limitieren die in vollständig aufgelösten Computersimulationen heutzutage erreichbaren Strömungsgeschwindigkeiten und stellen besondere Anforderungen an die Modellierung der Turbulenz. Nur in Idealfällen sind exakte Aussagen möglich. Die Wechselwirkungen zwischen Strukturen auf vielen Größenordnungen dominieren insbesondere in der Nähe von festen Wänden, wie sie bei praktisch allen Strömungen auftreten.

Ausgehend von Ludwig Prandtls Grenzschichtüberlegungen, verfeinert um Symmetrieüberlegungen, sind wichtige Aussagen über die mittleren Geschwindigkeitsprofile erzielt worden. Allerdings führen bei der Berechnung globaler Transportgrößen, wie etwa dem Wärmestrom bei der thermischen Konvektion, Unsicherheiten in den Profilen und Skalenexponenten leicht zu Variationen in den Vorhersagen um mehrere Größenordnungen.

Aufbauend auf Beobachtungen und Einsichten in Grenzschichtdynamiken in den letzten Jahren sollen daher in unserer Forschergruppe sowohl die globalen Skalierungseigenschaften des turbulenten Transportes wie auch die lokalen dynamischen Prozesse in der Nähe fester Wände untersucht und in Zusammenhang gebracht werden. Einen besonderen Erkenntnisfortschritt erwarten wir dabei durch vergleichende Untersuchungen von drei fundamentalen Strömungen, die bisher meist getrennt betrachtet wurden: thermische Konvektion in einer von unten geheizten Zelle (Rayleigh-Bénard), Scherturbulenz zwischen zwei konzentrischen, sich drehenden Zylindern (Taylor-Couette) und druckgetriebene Turbulenz in einer Rohrströmung.

Unsere Arbeiten präzisieren somit die globalen Gesetze des turbulenten Transports. Des Weiteren eröffnen sie neue Perspektiven, die turbulente Dynamik in Wandnähe zu kontrollieren sowie komplexe turbulente Strömungen zuverlässiger in stark reduzierten Modellen zu beschreiben.

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