Lagrange'sche kohärente Strukturen in auftriebsgetriebener Turbulenz

• Antragsteller: Professor George Haller, Ph.D.; Professor Dr.-Ing. Markus Holzner, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 316160518

Grossskalige, kohärente Strömungsstrukturen, so genannte Superstrukturen (SSs), spielen eine wichtige Rolle bei stratifizierten turbulenten Strömungen, indem sie die Rate des Massen- und Impulstransports steuern. Der Fortschritt in unserem Verständnis der Mechanismen von SSs wurde jedoch durch Willkür bei den Nachweismethoden dieser kohärenten Strömungsstrukturen behindert und führte daher zu gegensätzlichen Klassifizierungen der Ergebnisse oder sogar zu Fehlinterpretationen physikalischer Mechanismen. Daher ist wenig darüber bekannt, wie SSs die globalen Transport- und Mischraten der gesamten Strömung bestimmen. Das Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung kohärenter 3D-Lagrange‘schen-Strukturidentifikationsmethoden und deren Anwendung auf experimentelle Particle Tracking- und numerische Simulationsdaten von Scherströmungen mit stabiler und instabiler Schichtung, um die Rolle dieser Strukturen für den globalen Austausch von Masse und Impuls zu bestimmen. In Phase I des Projekts haben wir gezeigt, wie Lagrangian Coherent Structures (LCS) den Massentransfer in stabil geschichteten Schwerkraftströmen steuern. Zum ersten Mal haben wir rotational 3D-LCSs unter Verwendung der sogenannten Lagrangian-Average Vorticity-Deviation-Methode aus experimentellen 3D-Particle Tracking Daten extrahiert. Dies ist uns mit einem neuartigen Extraktionsalgorithmus und mehreren zusammengehängten Beobachtungsvolumina gelungen. Dieser Ansatz hat die Grenzflächen von LCS offenbart. Die nachgewiesenen LCSs, die die Dichteströmungsgrenze besiedeln, waren überwiegend große, in transversaler Richtung orientierte SSs, die an Kelvin-Helmholtz-Walzen erinnerten. Diese SSs unterdrücken das Mischen in ihrer unmittelbaren Umgebung, indem sie Stromlinien ablenken, die die Grenzschicht an ihrer Vorder- und Rückseite überschreiten. Wir haben eine ähnliche Analyse des Massentransfers in numerischen Simulationen der planetaren Grenzschicht durchgeführt, die in der letzten Periode von Phase I abgeschlossen werden wird. In dem vorliegenden Phase-II-Vorschlag werden wir die Entwicklung vollständig kohärenter 3D-Lagrangian-Strukturmethoden abschließen damit sie breit auf experimentelle und numerische Daten turbulenter Strömungen angewendet werden können: Neben den materiellen Barrieren für den Impulstransport werden wir auch nach materiellen Barrieren für den Vorticity-Transport analysieren und die stabil geschichtete Strömungsanalyse verallgemeinern, indem wir sie auf das instabil geschichtete Regime ausdehnen. Wir werden die experimentelle Analyse erweitern, um das instabil geschichtete Regime zu untersuchen und Regime mit mäßig hohen Reynolds-Zahlen in Übereinstimmung mit einem primären Ziel des SPP für Phase II zu untersuchen. Diese Bemühungen werden zu einem neuen Verständnis der Massenströme, der Wärme und des Impulses führen, die von Superstrukturen über einen breiten Bereich von Strömungen gesteuert werden, die in der Natur und in der Praxis von großer Bedeutung sind.

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