Energiegewinnung und Entstehung von Vortizität durch Oberflächenwellen mittels Ausnutzung von Eigenschaften der zwei-dimensionalen Turbulenz.

• Antragstellerin: Professorin Dr. Alexandra von Kameke
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 395843083

Die Studie untersucht die Kondensation von Energie in oberflächenwellengetriebener zweidimensionaler Turbulenz. Dieser physikalische Mechanismus wird im Hinblick auf seinen etwaigen Nutzen für die Energiegewinnung betrachtet. In zweidimensionaler Turbulenz wird die Energie im Mittel von kleinen zu großen Skalen transportiert. Hierbei kann eine sogenannte Energie-Kondensation entstehen, bei der die Energie sich in den größten Skalen sammelt. Durch diesen Prozess entsteht eine großskalige geordnete Strömung aus den unordentlichen, kleinskaligen Bewegungen, die die zweidimensionale Turbulenz antreiben. In Ihrer Doktorarbeit hat die Antragstellerin Dr. von Kameke zum ersten Mal gezeigt, dass zweidimensionale Turbulenz auch durch Oberflächenwellen angetrieben werden kann. Jedoch ist es unklar, ob sich zweidimensionale Turbulenz und Energiekondensation auch durch einen natürlicheren, ungeordneteren Antrieb erzeugen lassen, wie etwa durch Oberflächenwellen im Ozean. Des Weiteren versteht man bisher nicht, wie Oberflächenwellen horizontale Vortizität auslösen und ob sie bestimmte Charakteristika aufweisen müssen. Es ist nicht geklärt welche Randbedingungen für den Prozess der Energiekondensation vorhanden sein müssen. Speziell im Hinblick auf die Energiegewinnung aus den großen Strukturen, die durch die Energiekondensation entstehen muss die Stabilität dieser Strukturen bei Einführung von Reibungsquellen (Turbine o. ä.) untersucht werden.In dieser Studie werden die offenen Fragen mittels eines Faraday-Experimentes untersucht, bei dem die Oberflächenwellen durch vertikale Schwingungen des fluidenthaltenden Behältnisses erzeugt werden. Damit die Energiekondensation im Hinblick auf die Randbedingungen untersucht werden kann soll zum ersten Mal auch das dreidimensionale Geschwindigkeitsfeld im Fluid untersucht werden. Hierbei sollen die neuesten Methoden wie zeitaufgelöstes, tomographisches PIV (particle image velocimetry) zum Einsatz kommen, denn nur das vollständige dreidimensionale Geschwindigkeitsfeld erlaubt es die Zweidimensionalität und Energiekondensationsstufe der Strömung einwandfrei festzustellen.Die Zweidimensionalität der Strömung wird mit Hilfe der Energie- und Enstrophieflüsse analysiert die mit einer neuartigen Filtermethode ausgerechnet werden. Außerdem sollen existierende dreidimensionale Strömungsstrukturen identifiziert werden und der Einfluss der vertikalen Geschwindigkeit quantifiziert werden. Die Teilchenbewegung und Wellenbewegungen, die zusätzlich aufgenommen werden, sollen korreliert werden um die Kraft, die von den Oberflächenwellen auf das Fluid wirkt zu bestimmen. Das Ziel dieser Studie ist es den Mechanismus der Energiekondensation durch Oberflächenwellen in großem Detail zu durchdringen um herauszufinden, ob dieser sich für die Energiegewinnung eignet. Zusätzlich werden die verschiedenen Teileergebnisse große Fortschritte im Verständnis von Oberflächenwellen getriebener zweidimensionaler Turbulenz erlauben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen