Mechanismen der Musterbildung in planaren Scherströmungen

Der anhaltende Anstieg des Energieverbrauchs und die Notwendigkeit, die daraus resultierende Klimakrise zu bewältigen, sind die größte Herausforderung für die moderne Gesellschaft. Obwohl turbulente Strömungen für bestimmte technische Anwendungen, bei denen es um die Vermischung von Flüssigkeiten geht, von Vorteil sind, werden für den Flüssigkeitstransport laminare Strömungen weithin bevorzugt, da sie die Reibungsverluste verringern und somit die Transportkosten weitaus geringer sind. Daher ist das Verständnis der Entstehung von Turbulenzen ein wichtiger erster Schritt zu ihrer wirksamen Kontrolle. Insbesondere die Untersuchung des Übergangs von einer laminaren zu einer turbulenten Strömung in einfachen Geometrien liefert äußerst wertvolle Erkenntnisse über die beteiligten Mechanismen, die später zum Verständnis des Übergangs in komplexeren Geometrien und industriellen Anwendungen genutzt werden können. Der Übergang zur Turbulenz in Scherströmungen ist in der Regel durch Intermittenz gekennzeichnet, d. h. die Koexistenz von laminaren und turbulenten Strömungsbereichen. Diese Intermittenz zeigt sich zunächst in Form von lokalisierten Turbulenzfeldern, die später wachsen und sich zu länglichen, schrägen Streifen entwickeln, die von einer laminaren Strömung umgeben sind. Erhöht man schließlich die Strömungsgeschwindigkeit, beginnen diese Streifen zu wuchern und bilden sichtbare Streifenmuster mit gut definierten Abständen zwischen den einzelnen Streifen. Da es sich hierbei um ein allgemeines Phänomen bei vielen Strömungsproblemen handelt, konzentrieren wir uns in diesem Projekt auf die Untersuchung der Mechanismen zur Bildung von Streifenmustern in der Übergangsphase von planaren Scherströmungen. Obwohl dieses Phänomen seit langem bekannt ist, bleiben zwei wichtige Fragen offen, nämlich der Winkel der Streifenmuster und ihr Entstehungsprozess. Diese Fragen werden mit neuartigen Ansätzen angegangen, die sich deutlich von früheren Studien unterscheiden. Im Wesentlichen werden im Rahmen des Projekts zwei mögliche Wege erforscht, die die oben genannten Fragen erklären könnten. Der erste basiert auf einer Top-Down-Ansicht, bei der von einer vollständig turbulenten Strömung ausgegangen wird und dann die Strömungsgeschwindigkeit verringert wird, so dass sich laminare Spalten bilden können. Der zweite ist ein Bottom-up-Ansatz auf der Grundlage des Konzepts der gerichteten Perkolation, das im Wesentlichen darin besteht, die Bildung von Mustern durch lokale Wechselwirkungen und die Ausbreitung von Turbulenzen ausgehend von kleinen Ausgangskeimen zu erklären. Diese Strukturen werden hauptsächlich mittels direkter numerischer Simulationen in einem speziellen Rechengebiet untersucht, das mit der Hauptströmungsrichtung geneigt ist. Diese besondere Wahl wurde getroffen, um Effekte und Instabilitäten in der Strömung zu vermeiden, die zu einer Mischung von Effekten führen könnten, die die Interpretation der Ergebnisse erschweren könnten.