Manipulation von Strukturen und Superstrukturen in turbulenter Rayleigh-Bénard und Taylor-Couette Strömung mit Hilfe streifiger Wandrauheit

• Antragsteller: Professor Dr. Detlef Lohse
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 315559217

Taylor-Couette (TC)-Strömung, die Strömung zwischen zwei koaxialen rotierenden Zylindern, und Rayleigh-Bénard (RB)-Strömung, die Strömung in einem von unten geheizten und von oben gekühlten Container, sind paradigmatische Systeme in der Physik der Fluide. Bei starkem Antrieb wird die Strömung in beiden Fällen turbulent, und in beiden Fällen können sich Strukturen oder sogar Superstrukturen entwickeln, die die Transporteigenschaften der Strömung stark beeinflussen. Bei der TC-Strömung handelt es sich dabei um die sogenannten Taylor-Wirbel und bei der RB-Strömung um die Konvektionsrollen.In der ersten Runde des SPP1881-Programms haben wir die Transporteigenschaften und die Strömungsorganisation in gescherter RB-Strömung und TC-Strömung mit rauen Wänden numerisch untersucht. Darauf aufbauend wollen wir in dieser zweiten Runde des Programms die turbulent Strömung im TC und im gescherten RB System mit Hilfe streifiger Wandrauheit untersuchen. Das Ziel dieses numerischen Projekts ist es, die Konkurrenz zwischen der natürlichen Längenskala der Strukturen in der TC und der gescherten RB-Strömung mit der durch die streifige Rauheit auferlegten Längenskala zu verstehen. Unsere Hypothese ist, dass die Strömungsstrukturen der auferlegten Periodizität bis zu einem gewissen Grade folgen können, aber sobald die Diskrepanz zwischen der inneren und der von außen auferlegten Längenskala zu groß ist, ist dies nicht mehr möglich. In jedem Fall kann man durch ein Veränderung der Rauigkeitsstreifenstruktur eine Manipulation der Transporteigenschaften der Strömung erreichen, was die Tür für viele Anwendungen öffnet. Die numerischen Berechnungen werden mit einem hochoptimierten und parallelisiertem Code durchgeführt, der auf einem Finite-Difference-Schema basiert, wobei die streifige Rauigkeit mit Hilfe der immersed boundary method implementiert wird, in enger Zusammenarbeit mit Roberto Verzicco, der intensiv an diesem Projekt beteiligt ist. Die Ergebnisse für die TC-Strömung werden mit entsprechenden Experimenten in Twente verglichen, wobei die streifige Rauigkeit mit Sandpapier realisiert wird. Wie auch schon in der ersten Runde des Programmes findet das Projekt in enger Wechselwirkung mit anderen Kollegen aus dem SPP Programm statt, namentlich aus Göttingen, Cottbus und Karlsruhe.

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