Universalität regulärer und fraktal erzeugter Turbulenz: Experimentelle Untersuchung und stochastische Analyse der Multi-Skalen-Korrelationen

• Applicant: Professor Dr. Joachim Peinke
• Subject Area: Statistical Physics, Nonlinear Dynamics, Complex Systems, Soft and Fluid Matter, Biological Physics
• Term: from 2009 to 2014
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 161201514

• Final Report Year: 2014

Final Report Abstract

Eine der Grundhypothesen der Turbulenzforschung besagt, dass turbulente Strömungen auf kleinen Skalen universelles Verhalten aufweisen. Diese Hypothese ist sowohl für die Turbulenztheorie als auch für die numerische Simulation (Computational Fluid Dynamics ) von herausragender Bedeutung. Sie wird jedoch durch jüngere Untersuchungen in Frage gestellt. Durch Labormessungen turbulenter Strömungen und mit Hilfe neuer statistischer Analysemethoden, die Mehrpunktkorrelationen erfassen, konnte geklärt werden, das die Hypothese der Universalität für unterschiedliche Strömungen mit vergleichbaren Reynoldszahlen nicht exakt gilt. (Dies bedeutet, dass die Grundhypothesen der universellen Turbulenz nur eine Näherung ist.) Für Turbulenzen, die durch Mehrskalen-Anregung (fraktales Gitter oder bestimmte Anregung eines fraktalen Gitters) erzeugt werden, entsteht eine neue Art von Turbulenz. Für das fraktale Gitter konnte im Detail gezeigt weden, dass die erzeugte Turbulenz nur eine Längen-Skala besitzt und nicht wie üblich durch die integrale und die Dissipationslänge bestimmt wird. Als weiteres Ergebnis ist es gelungen, die Charakterisierung der Inkrementstatistik mit der n-Punktstatistik zu verbinden. Bezüglich der n-Punktstatistik der turbulenten Unordnung konnte eine 3-Punkt Schließung experimentell belegt werden.

Publications

• Defining a new class of turbulent flows, Phys. Rev. Lett. 104, 194501 (2010)
  R. Stresing, J. Peinke, R.E. Seoud, and J.C. Vassilicos
  
• Towards a stochastic multi-point description of turbulence, New Journal of Physics 12, 103046 (2010)
  R. Stresing and J. Peinke
  
• Different methods to estimate the Einstein-Markov coherence length in turbulence, Phys. Rev E 83, 046319 (2011); publisher’s note: Phys. Rev. E 85, 029907(E) (2012)
  R. Stresing, D. Kleinhans, R. Friedrich, and J. Peinke
  (See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevE.83.046319)
• The turbulent nature of the atmospheric boundary layer and its impact on the wind energy conversion process, Journal of Turbulence 13, 1-21 (2012)
  M. Wächter, H. Heißelmann, M. Hölling, A. Morales, P. Milan, T. Mücke, J. Peinke, N. Reinke, and Ph. Rinn
  (See online at https://doi.org/10.1080/14685248.2012.696118)
• Multi-scale generation of turbulence with fractal and active grid. Fluid Dyn. Res. 45, 061407 (2013)
  S. Weitemeyer, N. Reinke, J. Peinke and M. Hölling