Die Natur der Turbulenz in kompressibler, homentroper konstanter Scherströmung: Wirbel- und Wellenanteile sowie Selbsterhaltung.

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Holger Foysi
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 438287556

Ziel des vorliegenden Antrags ist es, den Mechanismus zur Aufrechterhaltung der Turbulenz in spektral stabiler kompressibler homogener Scherturbulenz zu untersuchen. Die Motivation dieses Antrags speist sich aus den Fortschritten die während der Untersuchung inkompressibler und kompressibler Scherturbulenz (G. Mamatsashvili et al., “Dynamics of homogeneous shear turbulence: A key role of the nonlinear transverse cascade in the bypass concept”, Phys. Rev. E, 94 , 2016 und Hau et al., A comparative numerical analysis of linear and nonlinear aerodynamic sound generation by vortex disturbances in homentropic constant shear flows, Physics of Fluids, 27 (2015)) gemacht wurden. Dort untersuchten wir das Zusammenspiel des linearen transienten Wachstums der Fouriermoden und nichtlinearen Prozesse. In diesen spektral stabilen Strömungen ist das lineare Wachstum der Harmonik transienter Natur und stark anisotrop im Spektralraum. Das wiederum führt zur Anisotropie der nichtlinearen Prozesse im Spektralraum und als Konsequenz zieht der primäre nichtlineare Prozess nicht eine direkte/inverse, sondern eine transverse/winkelabhängige Umverteilung der Moden (nichtlineare transversale Kaskade) nach sich. Dieser Mechanismus wurde im Detail für inkompressible Scherturbulenz studiert und analysiert. Wir demonstrierten, dass die Turbulenz durch das Zusammenspiel des linearen transienten Wachstums und der nichtlinearen transversalen Kaskade aufrechterhalten wird. Zudem konnte in einer anderen Untersuchung eine verfeinerte Zerlegung der Turbulenz in Wirbel- und Akustikmoden demonstriert werden, die verallgemeinert auf 3D Strömungen auch in dieser Arbeit zum Tragen kommen soll. Das generierte akustische Feld ist anisotrop im Spektralraum und hat stark gerichtete lineare Schallemmissionen zur Folge, sowie eine omnidirektionale Ausbreitung für nichtlinear generierte Wellen. Die Quelle ist die lineare Modenkopplung aufgrund der Nicht-Normalität. Akustische und Wirbelmoden sind linear gekoppelt und sollten damit mit der transversalen Kaskade zusammenhängen. Motiviert durch diese neuen Resultate zielen wir darauf ab, die Dynamik der Turbulenz im Spektralraum für homogene kompressible Scherturbulenz zu untersuchen, um herauszufinden, wie sich die transverale Kaskade unter dem Einfluss der Kompressibilität manifestiert oder verändert. Homogene Scherturblenz ist perfekt geeignet um turbulente Mechanismen zu erzeugen, die auch für realistische Strömungen relevant sind. Folglich kann hierfür die Änderung der Dynamik im Spektralraum aufgrund intrinsischer Kompressibilitätseffekte analysiert werden. Dazu wird für unterschiedliche turbulente und Gradienten-Machzahlen eine Datenbank homogener Scherturbulenz aufgebaut, die anschließend analysiert wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Georgien
• Kooperationspartner: Professor Dr. George Chagelishvili, Ph.D.