Strömungsmechanik

Strato-Rotations-Instabilitäten (SRI) Drehimpulstransport in einem geschichteten Taylor-Couette Experiment mit Anwendungen auf Akkretionsscheiben (DFG EG 100/18-1, HA2932/7-1)

Die Mechanismen, die in einer Akkretionsscheibe zu einem nach außen gerichteten Drehimpulstransport führen, sind noch nicht geklärt. Ohne ein Verständnis dieser Mechanismen lässt sich die Planetenentstehung in Akkretionsscheiben aber nicht verstehen, da die Rotationsgeschwindigkeit eines sich formenden Planeten viel zu groß wäre ohne einen solchen Transport. Nur Turbulenz kann den notwendigen Drehimpulstransport bewerkstelligen. Scheiben, die an ein Magnetfeld angekoppelt sind, sind aufgrund der Magneto-Rotations-Instabilität (MRI) turbulent. Aber auch ohne Magnetfeld bzw. in Regionen mit schwacher Ionisation können Akkretionsscheiben instabil sein. Eine in den letzten Jahren viel diskutierte Möglichkeit stellt die Strato-Rotations-Instabilität (SRI) dar. Die SRI ist eine rein hydrodynamische Instabilität die auch in Laborexperimenten und entsprechenden numerischen Simulationen gefunden werden kann. Das experimentelle Analogon zur Strömung in einer Akkretionsscheibe besteht aus einer axial stabil geschichteten Taylor-Couette (TC)-Strömung. Die axiale Schichtung ist in Analogie zur Schichtung in der Akkretionsscheibe zu sehen, während das radiale Geschwindigkeitsprofil der Scheibe durch eine unterschiedlich schnelle Rotation der Zylinder der TC Anlage simuliert werden kann. Wir wollen die Instabilitäten und die nichtlineare Sättigung dieser Instabilitäten in einem TC Experiment mit stabiler Temperaturschichtung untersuchen. Wesentlicher Teil der Untersuchung ist die Messung des Drehimpulstransportes im linearen und nichtlinearen Strömungsregime. Begleitend wird auf bestehende numerische Ergebnisse zurückgegriffen aber auch neue Simulationen werden von unseren Projektpartnern durchgeführt.

Im Besonderen sollen folgende Daten gemessen werden:

  1. der Übergang vom stabilen in das instabile Regime als Funktion der Reynolds-Zahl und des Rotationsverhältnisses,
  2. das Drehmoment und die Strömungsmuster im stabilen, instabilen und turbulenten Regime, und
  3. die Energiespektren im Übergangsbereich und dem turbulenten Regime.

Ferner wollen wir die Existenz von Trägheits-Schwere-Wellen und Wellenturbulenz experimentall nachweisen. Unsere Untersuchung liefert einen quantitativen Beitrag zu offenen Fragen der Planetenentstehung in Akkretionsscheiben.

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