Struktur-basierte Turbulenzmodelierung in Strömungen

Nahezu jede Strömung in unserer Umgebung ist turbulent. Das Auftreten der Turbulenz reicht von der äußeren Konvektionszone unserer Sonne, der Strömung in unserer Atmosphäre bis zur Strömung um Schiffe, Flugzeuge und Gebäude, bei denen der Strömungswiderstand von großem ingenieurwissenschaftlichen Interesse ist. Ein Ziel der Physik und der angewandten Ingenieurwissenschaften ist es daher die stark stochastische dreidimensionale Natur der Turbulenz bestmöglich zu erfassen und zu verstehen. Das Center for Turbulence Research (CTR) an der Stanford Universität, Kalifornien, beschäftigt sich nun mit der physikalischen Modellierung von turbulenten Strömungen. Da die Phänomene der Turbulenz noch weitgehend unverstanden sind, werden in den ingenieurrelevanten Bereichen einfache so genannte Wirbelviskositätsmodelle verwendet, welche einen Kompromiss zwischen numerischem Lösungsaufwand und erzielter Vorhersagegenauigkeit bilden. Diese Modelle besitzen aber erhebliche Defizite in Bezug auf die Darstellung komplexer turbulenter Strömungen. Das diesbezüglich am häufigsten in der Literatur zitierte Beispiel ist der druckinduzierte turbulente Nichtgleichgewichtszustand, welcher für die industriellen Bereiche von erheblicher Relevanz ist. Weitere Defizite der Wirbelviskositätsmodelle sind die Erfassung von dreidimensionalen Effekten, welche auf die Anisotropie der Turbulenz zurückzuführen sind. Komplexere Modelle, welche prinzipiell in der Lage sind diese Effekte zu berücksichtigen, wurden von der Industrie aufgrund der aufwendigen Lösungsstruktur nur bedingt angenommen. Die Aufgabe dieses Projektes besteht nun darin, ein in der Industrie sehr populäres Wirbelviskositäts- Turbulenzmodell (V2F Turbulenzmodel) mit einem am CTR entwickelten struktur-basierten Turbulenzmodell zu kombinieren. Das sehr komplexe struktur-basierte Turbulenzmodel soll mit geeigneten Ansätzen für die Numerik weitgehend vereinfacht werden, um in komplexen industrierelevanten Bereichen Anwendung zu finden. Das kombinierte Modell soll dann in der Lage sein, die oben erwähnten komplexen turbulenten Phänomene zu berücksichtigen und somit genauere Strömungsvorhersagen für eine effizientere Ingenieurarbeit ermöglichen.