SPP 1881:  Turbulent Superstructures

• Fachliche Zuordnung: Wärmetechnik/Verfahrenstechnik ; Bauwesen und Architektur ; Geowissenschaften ; Informatik, System- und Elektrotechnik ; Mathematik ; Physik
• Förderung: Förderung seit 2016
• Webseite: Zur Homepage
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 273183002

Im klassischen Bild wird Turbulenz durch eine Kaskade von verschieden großen Wirbelfilamenten charakterisiert, die eine stochastische und ungeordnete Strömungsbewegung als Ganzes verursachen. Unsere Alltagserfahrung zeigt jedoch, dass turbulente Strömungen in Natur und Technik oft in hervorstechenden langlebigen Mustern organisiert sind, die zu extremen Fluktuationen führen können. Im Zentrum des Schwerpunktprogramms stehen Turbulente Superstrukturen – Muster deren räumliche Kohärenz weit über natürliche Skalen der Strömung, wie z.B. die Grenzschichtdicke, hinausreicht. Möglich ist die Untersuchung derartiger Strukturen durch die jüngsten Fortschritte in der Strömungsmesstechnik, der numerischen Simulation und ihrer mathematischen Charakterisierung. Tomographische lasergestützte Messungen können die Dynamik turbulenter Superstrukturen mit bisher nicht gekannter Auflösung in Raum und Zeit aufnehmen. Numerische Direktsimulationen auf massiv parallelen Supercomputern stoßen zu hinreichend großen Reynoldszahlen vor, die die Simulation von turbulenten Superstrukturen in ausgedehnten Strömungsgebieten erlauben. In der angewandten Mathematik stehen effektive Methoden zur Verfügung mit denen dominante Wirbel und Strömungsstrukturen, der Transport über ihre Begrenzungen sowie ihre dynamische Entwicklung charakterisiert werden können. Aus der Informatik kommen effiziente Algorithmen zur Visualisierung und schnellen Verarbeitung der sehr großen dabei anfallenden Datenmengen.Ziel des vorliegenden Schwerpunktprogramms ist es diese verschiedenen Fortschritte zusammenzuführen, um zu einer umfangreicheren Charakterisierung sowie zu einem tieferen Verständnis turbulenter Superstrukturen zu gelangen. Das beinhaltet im Detail die experimentelle Charakterisierung von Superstrukturen, numerische Direktsimulationen turbulenter Superstrukturen und ihre Identifikation mittels unterschiedlicher Lagrangescher und Eulerscher Methoden. Des Weiteren möchten wir den Ursprung turbulenter Superstrukturen aus primären und sekundären Strömungsinstabilitäten sowie ihre Abhängigkeit von Symmetrien und Randbedingungen analysieren. Verstanden werden soll auch ihre Rolle beim turbulenten Transport, insbesondere die ihrer einhüllenden Grenzflächen. Abschließend möchten wir reduzierte Modelle entwickeln, um Superstrukturen effektiv zu beschreiben und zu kontrollieren. Das Schwerpunktprogramm konzentriert sich auf einphasige wandbegrenzte Strömungen in einfachen kartesischen bzw. parallelen Geometrien, die durch Auftrieb bzw. Scherung angetrieben werden. Nur durch die Zusammenführung der Methoden aus verschiedenen Wissenschaftsdisziplinen werden wir letztendlich eine bessere Charakterisierung turbulenter Superstrukturen verbunden mit einem tieferen Einblick in ihre Eigenschaften und ihren Einfluss auf Turbulenzstatistik und turbulenten Transport erhalten.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Internationaler Bezug: Australien, Großbritannien, Niederlande, Schweiz, Spanien, USA

Projekte

• Asymptotisch abgesaugte Grenzschicht: alternative lineare und schwach nicht-lineare nicht-modale Stabilitätsmoden - ein neuer Weg zu großen turbulenten Strukturen (Antragsteller Oberlack, Martin )
• DNS und visuelle Analyse von Superstrukturen in turbulenten Kanälen mit Mischung durch parallele Injektion (Antragsteller Theisel, Holger ;  Thévenin, Dominique )
• Effektive Beschreibung von Superstrukturen in turbulenter Konvektion und einfachen turbulenten Scherströmungen (Antragsteller Wilczek, Michael )
• Experimentelle Analyse turbulenter Superstrukturen in thermischer Konvektion mittels zeitaufgelöstem Lagrangeschem Particle Tracking bis zu sehr hohen Rayleigh-Zahlen (Antragsteller Bosbach, Johannes )
• Experimentelle Analyse von turbulenten Superstrukturen in kanonischen Grenzschichten entlang ebener Platten ohne Druckgradienten (Antragsteller Kähler, Christian Joachim )
• Experimentelle Untersuchung von Superstrukturen in turbulenter Flüssigmetall Konvektion (Antragsteller Vogt, Tobias )
• Experimentelle Untersuchungen zu großen Strukturen in vollentwickelter, turbulenter Rohrströmung (Antragsteller Egbers, Christoph )
• Identifikation großskaliger Transportvorgänge in wandgebundener Turbulenz mit einer charakteristischen DMD (Antragsteller Sesterhenn, Jörn Lothar )
• Kohärente Superstrukturen in turbulenter Rohr- und Taylor-Couette-Strömung (Antragsteller Avila Canellas, Marc )
• Konvektionszellen in der planetarischen Grenzschicht: Ursprung und Modellierung (Antragsteller Mellado, Juan Pedro )
• Koordinationsfonds (Antragsteller Schumacher, Jörg )
• Lagrange'sche kohärente Strukturen in auftriebsgetriebener Turbulenz (Antragsteller Haller, Ph.D., George ;  Holzner, Ph.D., Markus )
• Lagrangesche Aspekte turbulenter Superstrukturen: numerische Analyse der Langzeitdynamik und Transporteigenschaften (Antragstellerin Padberg-Gehle, Kathrin )
• Lagrangesche und Eulersche Analyse von Superstrukturen in wandgebundener Turbulenz basierend auf großskaligen, zeitaufgelösten und volumetrischen Messungen mittels Shake-The-Box und FlowFit (Antragsteller Schröder, Andreas )
• Manipulation von Strukturen und Superstrukturen in turbulenter Rayleigh-Bénard und Taylor-Couette Strömung mit Hilfe streifiger Wandrauheit (Antragsteller Lohse, Detlef )
• Multi-Skalen Visualisierung von Superstrukturen (Antragsteller Westermann, Rüdiger )
• Nichtlineare flukturierende Hydrodynamik als Modell für turbulente Superstrukturen (Antragsteller Adams, Nikolaus Andreas )
• Numerische Analyse von turbulenten Superstrukturen in thermischer Konvektion: Langzeitdynamik durch Lagrangesches Clustern and Markovzustandsmodellierung (Antragsteller Schumacher, Jörg )
• Ort-Zeit-Methoden für die Berechnung und Analyse von Familien kohärenter Mengen (Antragsteller Koltai, Péter )
• Rechnergestützte Verfahren für kohärente Mengen und kohärenten Transport (Antragsteller Junge, Oliver ;  Karrasch, Daniel )
• Simultane, volumetrische Geschwindigkeits- und Temperaturmessungen in Rayleigh-Bénard Zellen bei großen Aspektverhältnissen (Antragsteller Cierpka, Christian )
• Superstrukturen und exakte kohärente Zustände in der abgesaugten Grenzschicht (Antragsteller Linkmann, Moritz )
• Superstrukturen und turbulenter Wärme- und Impulstransport in geneigten Konvektionszellen bei niedrigen Prandtl-Zahlen (Antragstellerin Shishkina, Olga )
• Turbulente Superstrukturen in der turbulenten Kaskade der Reynolds'schen Spannungen (Antragsteller Gatti, Davide )
• Untersuchung und Nutzung der Zusammenhänge zwischen kohärenten Strukturen und fast invarianten Mengen im Funktionenraum (Antragsteller Dellnitz, Michael )
• Untersuchungen zur Entstehung turbulenter Superstrukturen in einer Platten-Grenzschicht mit Druckgradient (Antragsteller Rist, Ulrich )
• Wie interagieren turbulente Superstrukturen mit der viskosen Reibung an der Wand? (Antragstellerin Frohnapfel, Bettina )
• Über den Einfluß der Gross-skaligen Zirkulation auf den Übergang zum "Ultimate state" in turbulenter thermischer Konvektion (Antragsteller Weiss, Stephan )

• Sprecher: Professor Dr. Jörg Schumacher