Experimentelle Untersuchungen von turbulenten Taylor-Couette Strömungen in sehr weiten Spalten (Teil 2)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christoph Egbers
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 422002662

Es handelt sich um die Fortsetzung des Projekts "Experimentelle Untersuchung der turbulenten Taylor-Couette (TC) Strömung in sehr weiten Spalten". Die Ziele der Arbeit gliedern sich in zwei Teile: der erste konzentriert sich auf die Strömung im zentrifugal instabilen Regime und basiert auf den wissenschaftlich offenen Fragen der ersten Projektphase. Der zweite untersucht die Strömung im zentrifugal stabilen quasi-Kepler Regime (η²≤µ≤1), welches in der ersten Projektphase nicht Gegenstand war. Dabei kann die bestehende Versuchsapparatur (TvTCC) im ersten Teil genutzt werden, um die bestehenden Strömungsparameter weiter zu analysieren. Gleichzeitig ist der Bau eines neuen Systems mit einer größeren Geometrie geplant, so dass Strömungsmessungen mit deutlich besserer räumlicher und zeitlicher Auflösung sowie direkte Drehmomentmessungen in den sehr weiten Spalten möglich werden. Die Visualisierung der TC-Strömung mit sehr großem Spalt (η = 0,1) im gegenläufigen Regime zeigt eine Vielzahl von Strömungsmustern, wobei verschiedene klassische Muster wie Taylor-Wirbel zusätzlich zu einigen für diese Geometrie einzigartigen Mustern (z. B. axiale oder helikale Säulenwirbel) für bestimmte Parameter gefunden wurden. Der Mechanismus, der für die zweite Gruppe von Mustern verantwortlich ist, ist absolut offen und soll in dieser Arbeit untersucht werden. Darüber hinaus zeigt die Abhängigkeit des Drehimpulstransports von der Rotationsrate ein Maximum des Transports für η = 0,1 bei leicht gegenläufiger Rotation der Zylinder. Hier füllt die großräumige Zirkulation (LSC) den gesamten Spalt aus und verstärkt den Transport des Drehimpulsflusses. Bei stärkerer Gegenrotation löst sich die LSC aufgrund der stabilisierenden Wirkung der Außenrotation von der äußeren Zylinderwand und wird in einem Bereich nahe des inneren Zylinders begrenzt. Die Ablösung der LSC führt zu einer Abnahme des Impulstransports. Als unerwartetes Ergebnis und im Gegensatz zu TC-Strömungen in engeren Spalten erreicht der Drehimpulstransport bei stärkerer Gegenrotation ein Minimum und nimmt bei weiterer Steigerung der Gegenrotation wieder zu. Trotz der augenscheinlichen stabilisierenden Wirkung des Außenzylinders wird hier der Drehimpulstransport stärker. Die Raum-Zeit-Analyse der Strömung deutet auf das Vorhandensein von sich nach innen ausbreitenden Strukturen hin, die sich an der äußeren Zylinderwand entwickeln und den beobachteten Anstieg des Drehimpulstransports bei hohen gegenläufigen Rotationsgeschwindigkeiten verantworten. Da diese neuartigen Strukturen in einer zentrifugal stabilen Region entstehen, ist unklar, welche Instabilität für sie verantwortlich ist. Die vorgeschlagenen Arbeiten konzentrieren sich auf die Untersuchung der Dynamik der äußeren Grenzschichten, in denen diese Muster auftreten, und auf die weitere Untersuchung der Analogie zwischen diesen Mustern und den scherinduzierten Superstrukturen, die in anderen wandgebundenen Strömungen auftreten (Rohr, Kanal usw.).

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen