Effektive Beschreibung von Superstrukturen in turbulenter Konvektion und einfachen turbulenten Scherströmungen

• Antragsteller: Dr. Michael Wilczek
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 315656245

Turbulente Strömungen sind ein allgegenwärtiges Phänomen in der Natur. Sie zeigen oft eine überraschende Ordnung auf großen Skalen, auch wenn Turbulenzen mit kleinskaligen Schwankungen und chaotischen, unregelmäßigen Bewegungen verbunden sind. Die großskaligen Strukturen sind eine Manifestation so genannter turbulenter Superstrukturen. Turbulente Superstrukturen treten in einer Reihe von prototypischen Strömungen auf, einschließlich berandeter, schergetriebener und konvektiver Strömungen. Im Mittelpunkt unserer Untersuchungen in der ersten Förderperiode stand die turbulente Konvektion. In unserem vorherigen Antrag haben wir herausgearbeitet, dass eine prädiktive Theorie der großskaligen Strömungsmuster im turbulenten Regime derzeit fehlt. Dies liegt zum einen daran, dass die Dynamik turbulenter Superstrukturen, insbesondere das Zusammenspiel von großskaligen Strömungseigenschaften und Turbulenz, bisher nicht gut charakterisiert war. Auf der anderen Seite fehlten theoretische Werkzeuge, um eine effektive Beschreibung turbulenter Superstrukturen zu entwickeln. Wie im Folgenden dargestellt, haben wir in der ersten Förderperiode in Bezug auf diese beiden Herausforderungen vielversprechende Fortschritte erzielt. Insbesondere haben wir ein detailliertes Verständnis der Energiebilanz von großskaligen Strömungsmustern in Rayleigh-Bénard Konvektion gewonnen, und wir haben ein heuristisches Modell mit reduzierter Ordnung entwickelt, um die Rolle kleinskaliger Schwankungen bei der Bildung großskaliger Muster zu klären. Das Hauptziel für die zweite Förderperiode ist es, diese Ansätze zu kombinieren, um eine effektive Beschreibung von Superstrukturen in turbulenter Konvektion zu erreichen.Im Rahmen der Forschung innerhalb des SPP haben wir eng mit Juan Pedro Mellado zusammengearbeitet und unsere theoretische Analyse auf atmosphärische Konvektion angewendet. Die Kollaboration möchten wir in der zweiten Förderperiode weiter ausbauen.Neben dem besseren Verständnis der Superstrukturen in turbulenter Konvektion planen wir auch die Erweiterung unserer Untersuchungen auf eine größere Klasse turbulenter Strömungen, einschließlich Scherströmungsturbulenz, Taylor-Couette-Turbulenz sowie Rohr- und Kanalströmungen. Solche vergleichenden Analysen werden dazu beitragen, Aufschluss über potenziell universelle Mechanismen und Merkmale bei der Erzeugung turbulenter Superstrukturen zu geben.

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