Koordinationsfonds

• Antragsteller: Professor Dr. Jörg Schumacher
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Mathematik ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 316221523

Im klassischen Bild wird Turbulenz durch eine Kaskade von verschieden großen Wirbelfilamenten charakterisiert, die eine stochastische und ungeordnete Strömungsbewegung als Ganzes verursachen. Unsere Alltagserfahrung zeigt jedoch, dass turbulente Strömungen in Natur und Technik oft in hervorstechenden langlebigen Mustern organisiert sind, die zu extremen Fluktuationen führen können. Im Zentrum des Schwerpunktprogramms stehen Turbulente Superstrukturen – Muster deren räumliche Kohärenz weit über natürliche Skalen der Strömung, wie z.B. die Grenzschichtdicke, hinausreicht. Möglich ist die Untersuchung derartiger Strukturen durch die jüngsten Fortschritte in der Strömungsmesstechnik, der numerischen Simulation und ihrer mathematischen Charakterisierung. Tomographische lasergestützte Messungen können die Dynamik turbulenter Superstrukturen mit bisher nicht gekannter Auflösung in Raum und Zeit aufnehmen. Numerische Direktsimulationen auf massiv parallelen Supercomputern stoßen zu hinreichend großen Reynoldszahlen vor, die die Simulation von turbulenten Superstrukturen in ausgedehnten Strömungsgebieten erlauben. In der angewandten Mathematik stehen effektive Methoden zur Verfügung mit denen dominante Wirbel und Strömungsstrukturen, der Transport über ihre Begrenzungen sowie ihre dynamische Entwicklung charakterisiert werden können. Aus der Informatik kommen effiziente Algorithmen zur Visualisierung und schnellen Verarbeitung der sehr großen dabei anfallenden Datenmengen.Ziel des vorliegenden Schwerpunktprogramms ist es diese verschiedenen Fortschritte zusammenzuführen, um zu einer umfangreicheren Charakterisierung sowie zu einem tieferen Verständnis turbulenter Superstrukturen zu gelangen. Das beinhaltet im Detail die experimentelle Charakterisierung von Superstrukturen, numerische Direktsimulationen turbulenter Superstrukturen und ihre Identifikation mittels unterschiedlicher Lagrangescher und Eulerscher Methoden. Des Weiteren möchten wir den Ursprung turbulenter Superstrukturen aus primären und sekundären Strömungsinstabilitäten sowie ihre Abhängigkeit von Symmetrien und Randbedingungen analysieren. Verstanden werden soll auch ihre Rolle beim turbulenten Transport, insbesondere die ihrer einhüllenden Grenzflächen. Abschließend möchten wir reduzierte Modelle entwickeln, um Superstrukturen effektiv zu beschreiben und zu kontrollieren. Das Schwerpunktprogramm konzentriert sich auf einphasige wandbegrenzte Strömungen in einfachen kartesischen bzw. parallelen Geometrien, die durch Auftrieb bzw. Scherung angetrieben werden. Nur durch die Zusammenführung der Methoden aus verschiedenen Wissenschaftsdisziplinen werden wir letztendlich eine bessere Charakterisierung turbulenter Superstrukturen verbunden mit einem tieferen Einblick in ihre Eigenschaften und ihren Einfluss auf Turbulenzstatistik und turbulenten Transport erhalten.

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