Dynamik und Transport magnetischer Instabilitäten in Taylor--Couette Strömungen

• Antragsteller: Professor Dr. Marc Avila Canellas
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Astrophysik und Astronomie ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 230979418

Turbulente Transportprozesse sind für die Entstehung von Sonnensystemen und die Dynamik von Akkretionsscheiben von herausragender Bedeutung. In Akkretionsscheiben nimmt das Drehmoment mit dem Radius zu, weshalb die Gasströmung linear stabil und damit laminar sein sollte. Doch ohne Turbulenzen lassen sich die beobachteten Zeiten für die Sternentstehung nicht erklären. Die Lösung dieses Rätsels erfolgt durch magnetische Rotationsinstabilitäten (MRI), die in ionisierten Scheiben effektiv Turbulenzen verursachen können. In den letzten zwei Dekaden haben zahlreiche numerische Untersuchungen die Eigenschaften der MRI untersucht. Diese Simulationen beruhen aber größtenteils nur auf Modellen, die die Dynamik der Scheiben lokal beschreiben. Die Möglichkeit diese Instabilität in Experimenten zu beobachten, hat in den letzten Jahren große Anregung in die Astrophysik und die Strömungsmechanik gebracht. Das meistverwendete Experiment besteht aus zwei konzentrischen, relativ zueinander getriebenen Zylindern zwischen denen sich ein Flüssigmetall befindet. Neben der Rotation der Zylinder beeinflusst ein extern getriebenes axiales magnetisches Feld die Strömung des Flüssigmetalls. Die lineare Stabilität dieses Systems wurde intensiv untersucht, und in dem speziellen Fall eines externen helischen magnetischen Feldes, konnten die Experimente die numerischen Ergebnisse bestätigen. Die Eigenschaften der MRI in dem nichtlinearen Bereich oberhalb der linearen Stabilitätsgrenze und insbesondere der Transport des Drehmoments selbst sind jedoch, noch nicht einmal ansatzweise verstanden. Gerade diese Eigenschaften sind es aber die Rückschlüssen von den Experimenten auf die Dynamik von Akkretionsscheiben ermöglichen könnten. Die Numerik dieses Projekts bildet hierbei die Brücke zwischen den bereits vorhandenen Experimenten und den Simulationen von Akkretionsscheiben. Ziel dieses Projekts ist die Untersuchung der nichtlinearen Eigenschaften der magnetischen Rotationsinstabilitäten in Strömungen zwischen zwei Zylindern. Die verschiedenen Varianten der MRI, die sich durch unterschiedliche magnetische Felder auszeichnen, werden miteinander verglichen und die Transportskalierung berechnet. Die Ergebnisse werden mit Simulationen von Akkretionsscheiben im Detail verglichen, in denen die periodischen Randbedingungen in der radialen Richtung großen Einfluss auf das nichtlineare Verhalten haben. Es wird sich dadurch zeigen, ob den im Experiment relevanten physikalischen Mechanismen auch in den Simulationen für Akkretionsscheiben dieselbe Bedeutung zukommt. Dies ermöglicht es in Zukunft besser einschätzen zu können, inwieweit aus Experimenten Rückschlüsse auf die Dynamik von Akkretionsscheiben gezogen werden können. Das Projekt wird zahlreiche Daten liefern, die detaillierte Vergleiche mit aktuellen und zukünftigen Experimente ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Großbritannien
• Beteiligte Personen: Professor Dr. Rainer Hollerbach; Professorin Dr. Anne Willis