Turbulente Superstrukturen in der turbulenten Kaskade der Reynolds'schen Spannungen

• Antragsteller: Dr.-Ing. Davide Gatti
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 429326502

Wirbelstrukturen mit unterschiedlichen charakteristischen Längenskalen existieren nebeneinander und interagieren wechselseitig in wandgebundenen turbulente Strömungen. Sie reichen von sehr großen, von der Wand abgewandten Strukturen bis hin zu kleinen Wirbeln in der Wandnähe. Die großräumigen Strukturen werden als turbulente Superstrukturen - im Folgenden TSS genannt - bezeichnet und haben Längenskalen, die viel größer sind als die der wandnahen Wirbel. TSS spielen eine wichtige Rolle in der Dynamik turbulenter Strömungen, wo sie starke Geschwindigkeitsschwankungen mit einer charakteristischen Längenskala verursachen, die ein Vielfaches der größten Längenskala der Strömung beträgt (wie zum Beispiel die Dicke einer turbulenten Grenzschicht). TSS sind durch ihren Beitrag zur Reynolds-Scherspannung für einen signifikanten Anteil des erhöhten Reibungswiderstands an der Wand verantwortlich. Derzeit gibt es keine abgestimmte Beschreibung der Dynamik des TSS, insbesondere hinsichtlich ihrer gegenseitigen Interaktion mit anderen kleineren Strukturen in der Strömung. Während die Wirkung von TSS auf die kleinräumigen Strukturen an der Wand in der Literatur dokumentiert wurde, gibt es gegensätzliche Hinweise auf einen Einfluss in die entgegengesetzte Richtung, d.h. einen Einfluss der kleinräumigen Strukturen auf das TSS. Insbesondere ist noch unklar, ob die kleinräumigen Strukturen eine entscheidende Rolle für den Ursprung der TSS spielen. Das Verständnis der gegenseitigen Beeinflussung von TSS und den anderen Skalen der Strömung ist nicht nur aus theoretischer Sicht von großer Bedeutung, sondern auch, weil es unsere Fähigkeit, eine turbulente Strömung zu modellieren und zu beeinflussen, stark beeinflussen kann. In dem vorliegenden Vorschlag untersuchen wir die Interaktion zwischen TSS und den anderen kleineren Strukturen der Strömung. Wir wenden ein neues theoretisches Werkzeug, die sogennante "Anisotropic Generalized Kolmogorov Equation", um zu beschreiben, wie die separaten Komponenten des Reynolds Stress-Tensors produziert, dissipiert und durch Strukturen in verschiedenen Längenskalen und über den physikalischen Raum in der turbulenten Strömung transportiert werden. In diesem Rahmen ist das Ergebnis der Interaktion zwischen den Skalen ein messbarer Transport von Reynolds-Spannungen über Skalen und Raum, der die sogenannte turbulente Kaskade von Reynolds-Spannungen darstellt.Wir entwickeln eine Reihe von numerischen Experimenten, in denen die Physik turbulenter Strömungen in Kanälen natürlich oder bewusst verändert wird, um einige Aspekte der TSS hervorzuheben oder zu löschen. Durch eine Analyse, wie Reynolds Spannungen durch verschiedene Skalen transportiert werden, können wir die Beziehung zwischen TSS und anderen Strukturen der turbulenten Strömung aufzeigen.

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