Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Vom Wasserstrahl bis zum Tornado: Neuer Weg zur Lösung des Turbulenzproblems

15.07.2014

Das Rätsel Turbulenz ist nach wie vor ungelöst. Doch nun könnte endlich Bewegung in die Sache kommen: Wie die Zeitschrift "Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA" in ihrer Early Edition vom 14. Juli 2014 (doi:10.1073/pnas.1410791111) berichtet, ist es einem Team unter Leitung des Ilmenauer Strömungsmechanik-Professors Jörg Schumacher gelungen, einen neuen Zugang zur Beantwortung der mehr als 70 Jahre alten Hypothese zur Universalität der Wirbelbewegung aufzuzeigen. Davon könnten langfristig Modellierungen von Turbulenzen in vielen technischen Anwendungen profitieren.

Turbulenzen begegnen uns im Alltag auf Schritt und Tritt. Sei es die starke Windböe vor einem heftigen Sommergewitter, der Strahl aus dem Wasserhahn oder das kochende Wasser für das sonntägliche Frühstücksei. Kein Lüftchen weht jedoch, wenn das notwendige atmosphärische Druckgefälle fehlt. Erst die anhaltende Wärmezufuhr der Heizplatte bringt das Wasser im Topf zum Kochen.


Momentaufnahmen der Scherschichten (langgezogene „Bergrücken“) in Schnittebenen durch drei unterschiedliche turbulente Strömungen.

Abbildung: TU Ilmenau

Die Mechanismen, die Turbulenzen verursachen und aufrecht halten, sind also sehr verschieden. In der überwiegenden Zahl der Beispiele erfolgt dieser „Antrieb“ auf Längen, die den Abmessungen des turbulenten Strömungssystems selbst entsprechen. Große Turbulenzwirbel entstehen durch diesen Antrieb, sie reiben sich aneinander und zerfallen in einem ständigen Kommen und Gehen.

Dabei geben sie ihre Bewegungsenergie an kleinere Wirbel - ihre „Bruchstücke“ - weiter, die diesen Schwung wiederum nahezu verlustfrei zu noch kleineren Wirbeln mittels derselben Prozesse durchreichen. Diese Abwärtskaskade erzeugt immer feingliedrigere so genannte Scherschichten zwischen den zerfallenden Wirbeln. Dabei handelt es sich um lokalisierte dünne Schichten in denen sich die Geschwindigkeit über kleinen Distanzen stark ändert (siehe Abbildung).

Die Kaskade der Bewegungsenergie hört erst auf, wenn die Wirbel so klein sind, dass die molekulare Zähigkeit des turbulenten Mediums bedeutend wird und die Wirbelbewegung in Wärme wandelt. In Windböen ist das bei etwa einem Millimeter der Fall. Je stärker die Turbulenzen sind, desto größer ist der so genannte inertiale Kaskadenbereich zwischen den größten und kleinsten Wirbeln. 

In der Strömungsforschung möchte man sich von allen spezifischen Eigenschaften der Turbulenzen lösen, um ihrer eigentlichen Natur auf den Grund zu gehen. Man sucht universelle Gesetze, die allen turbulenten Strömungen innewohnen. Was haben also ein Tornado und der Strahl aus dem Wasserhahn gemeinsam?

Es war der bekannte russischer Mathematiker Andrei Nikolajewitsch Kolmogorov, der vor mehr als 70 Jahren in einem nur vier Seiten langen Bericht an die Akademie der Wissenschaften der damaligen Sowjetunion die Hypothese aufstellte, dass das scheinbar zufällige Auftreten der größeren und kleineren Wirbel immer den gleichen statistischen Gesetzen folgt, wenn man sich Geschwindigkeiten nur hinreichend „weit unten“ in einem ausgedehnten Kaskadenbereich anschaut.

Die Turbulenz sollte dort vergessen haben, wie sie aufrechterhalten wird; der Tanz der Wirbel folgt dort stets den gleichen Gesetzen. Seither haben Heerscharen von Strömungsforschern versucht, immer stärkere Turbulenzen zu erzeugen bzw. in immer mächtigeren Supercomputern zu studieren. Die heutigen Superrechner sind jedoch immer noch nicht leistungsfähig genug, um einen weit ausgedehnten inertialen Kaskadenbereich zu erhalten, der für die Bestätigung von der Hypothese von Kolmogorov notwendig wäre.

Eine Gruppe von in Deutschland und den USA arbeitenden Wissenschaftlern unter Leitung von Jörg Schumacher von der Technischen Universität Ilmenau hat im Laufe der letzten acht Jahre in wissenschaftlicher Detektivarbeit Indizien gesammelt, die eine alternative Route zur Bestätigung von Kolmogorovs Hypothese vorschlagen.

Statt auf die Wirbel selbst zu schauen, konzentrierten sie sich auf die sehr feinen Scherschichten zwischen den Wirbeln. Die Forscher zeigten in ihrem Artikel, dass im direkten Vergleich dreier turbulenter Strömungen mit unterschiedlichem Antrieb stets die gleichen statistischen Gesetze für die Fluktuationen eben dieser feinen Scherschichten folgten. Universalität konnte damit zu mindestens für diese drei Strömungen gezeigt werden.

Die Turbulenzen sind also in der Tat universell und müssen nicht mal besonders stark sein. Der „genetische Code“ der Turbulenz ist folglich mit heute vorhandener Höchstleistungsrechentechnik bereits entschlüsselbar, wenn man auf die richtigen physikalische Größen – die Scherschichten – schaut. Schumacher und seine Kollegen mussten dazu im Laufe der letzten Jahre immer wieder auf Europas schnellste Rechner, u.a. die Supercomputer am Jülich Supercomputing Centre zurückgreifen, um diese Untersuchung voranzutreiben.

Im letzten Jahr nutzten sie in einem bei der nationalen Gauss-Allianz gewonnenen Großprojekt den JUQUEEN Supercomputer in Jülich, Europas schnellsten Superrechner, und ließen ihr massiv paralleles Turbulenzsimulationsprogramm auf mehr als 65.000 Prozessoren für sich arbeiten.

Der Verbrauch an Rechenkapazität allein in diesem Projekt entspräche der Rechenleistung, für die ein einzelner PC mit einem Prozessorkern seit der Jungsteinzeit, das heißt seit ca. 6000 Jahren, unterbrochen arbeiten müsste.

Die Simulationsexperimente sind damit noch nicht abgeschlossen. Ihre Ergebnisse wollen Jörg Schumacher und seine Kollegen in einem nächsten Schritt für weitere Strömungen testen. Die Turbulenz, eines der hartnäckigsten Probleme der klassischen Physik, wird die Forscher deshalb auch weiterhin in Atem halten.

Weitere Informationen:
Professor Jörg Schumacher
TU Ilmenau, Institut für Thermo- und Fluiddynamik
Fachgebiet Strömungsmechanik
Tel. 03677 69-2428
E-Mail: joerg.schumacher@tu-ilmenau.de

Bettina Wegner | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.tu-ilmenau.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Partnerschaft auf Abstand: tiefgekühlte Helium-Moleküle
07.12.2016 | Goethe-Universität Frankfurt am Main

nachricht Das Universum enthält weniger Materie als gedacht
07.12.2016 | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Poröse kristalline Materialien: TU Graz-Forscher zeigt Methode zum gezielten Wachstum

Mikroporöse Kristalle (MOFs) bergen große Potentiale für die funktionalen Materialien der Zukunft. Paolo Falcaro von der TU Graz et al zeigen in Nature Materials, wie man MOFs gezielt im großen Maßstab wachsen lässt.

„Metal-organic frameworks“ (MOFs) genannte poröse Kristalle bestehen aus metallischen Knotenpunkten mit organischen Molekülen als Verbindungselemente. Dank...

Im Focus: Gravitationswellen als Sensor für Dunkle Materie

Die mit der Entdeckung von Gravitationswellen entstandene neue Disziplin der Gravitationswellen-Astronomie bekommt eine weitere Aufgabe: die Suche nach Dunkler Materie. Diese könnte aus einem Bose-Einstein-Kondensat sehr leichter Teilchen bestehen. Wie Rechnungen zeigen, würden Gravitationswellen gebremst, wenn sie durch derartige Dunkle Materie laufen. Dies führt zu einer Verspätung von Gravitationswellen relativ zu Licht, die bereits mit den heutigen Detektoren messbar sein sollte.

Im Universum muss es gut fünfmal mehr unsichtbare als sichtbare Materie geben. Woraus diese Dunkle Materie besteht, ist immer noch unbekannt. Die...

Im Focus: Significantly more productivity in USP lasers

In recent years, lasers with ultrashort pulses (USP) down to the femtosecond range have become established on an industrial scale. They could advance some applications with the much-lauded “cold ablation” – if that meant they would then achieve more throughput. A new generation of process engineering that will address this issue in particular will be discussed at the “4th UKP Workshop – Ultrafast Laser Technology” in April 2017.

Even back in the 1990s, scientists were comparing materials processing with nanosecond, picosecond and femtosesecond pulses. The result was surprising:...

Im Focus: Wie sich Zellen gegen Salmonellen verteidigen

Bioinformatiker der Goethe-Universität haben das erste mathematische Modell für einen zentralen Verteidigungsmechanismus der Zelle gegen das Bakterium Salmonella entwickelt. Sie können ihren experimentell arbeitenden Kollegen damit wertvolle Anregungen zur Aufklärung der beteiligten Signalwege geben.

Jedes Jahr sind Salmonellen weltweit für Millionen von Infektionen und tausende Todesfälle verantwortlich. Die Körperzellen können sich aber gegen die...

Im Focus: Shape matters when light meets atom

Mapping the interaction of a single atom with a single photon may inform design of quantum devices

Have you ever wondered how you see the world? Vision is about photons of light, which are packets of energy, interacting with the atoms or molecules in what...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

NRW Nano-Konferenz in Münster

07.12.2016 | Veranstaltungen

Wie aus reinen Daten ein verständliches Bild entsteht

05.12.2016 | Veranstaltungen

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Das Universum enthält weniger Materie als gedacht

07.12.2016 | Physik Astronomie

Partnerschaft auf Abstand: tiefgekühlte Helium-Moleküle

07.12.2016 | Physik Astronomie

Bakterien aus dem Blut «ziehen»

07.12.2016 | Biowissenschaften Chemie