Kohärente Superstrukturen in turbulenter Rohr- und Taylor-Couette-Strömung

• Antragsteller: Professor Dr. Marc Avila Canellas
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 316065285

Fluidströmungen in der Natur und Technik bilden in der Regel großskalige kohärente Strukturen aus. Diese so genannten Superstrukturen werden maßgeblich durch die jeweiligen Randbedingungen (z.B. Geometrie) und die Form des Antriebs (z.B. Druck- oder Temperaturgefälle) beeinflusst und geformt. Typischerweise tragen Superstrukturen einen erheblichen Anteil zum Energiehaushalt und zum Gesamtwiderstand bei; außerdem beeinflussen sie die Transporteigenschaften (Masse, Energie, Impuls) des gesamten Systems. Daher müssen Superstrukturen für eine erfolgreiche Weiterentwicklung von Modellansätze und Kontrollmechanismen für turbulente Strömungen im Detail verstanden und berücksichtigt werden. In diesem Vorhaben untersuchen wir die Dynamik, den spektralen Energiehaushalt und die Transporteigenschaften von Superstrukturen in zwei klassischen Modellsystemen für wandnahe Scherströmungen: Die Strömung in einem Rohr bzw. zwischen zwei konzentrischen, rotierenden Zylinder, wobei wir uns im zweiten Fall (Taylor-Couette-Strömung) hauptsächlich auf den Grenzfall mit einem engen Spalt fokussieren. Zunächst untersuchen wir, ob Superstrukturen ihre Energie hauptsächlich aus viel kleineren Strukturen gewinnen, die sich in kohärenten Formationen anordnen, oder ob sie Ihre Energie direkt aus der mittleren Scherung beziehen. Dazu berechnen wir den spektralen Energiefluss zwischen verschiedenen Längenskalen basierend auf räumlichen Filtermethoden angewandt auf Datensätze, die wir mittels direkter numerischer Simulation erzeugen. Um die Weiterentwicklung von Analyse- und Detektionsmethoden für Superstrukturen im Schwerpunktprogramm voranzutreiben, stellen wir maßgeschneiderte, hochaufgelöste Datensätze zur Verfügung. Wir sind in der Lage, die erzeugten Daten dem Entwicklungsstand der Analysemethoden anzupassen, in dem wir die zeitliche und räumliche Komplexität der Strömungsfelder mit Hilfe unserer entwickelten Filtermethoden adaptiv reduzieren. Damit können wir Zusammenhänge und Korrelationen zwischen den spektralen Energieflüssen und Lagrangen Strukturen im Strömungsfeld untersuchen. Unsere Arbeit basiert auf dem interdisziplinären Netzwerk aus Kooperationen, welches wir in der ersten Förderperiode aufgebaut haben, und wird somit maßgeblich dazu beitragen, die bestehend Hürden beim Übergang zu hohen Reynolds-Zahlen zu überwinden.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1881: Turbulent Superstructures