Von einer laminaren Strömung zur Turbulenz
In volumetrischen Wärmeflüssen kann die Wärme aus chemischen oder biochemischen Reaktionen, einem Phasenübergang oder radioaktivem Zerfall stammen. Volumetrische Wärme ist für die Konvektion in den Wolken und Auswirkungen auf Wettermuster verantwortlich. Zudem sorgt sie für den Transport von Feuchtigkeit in Gewächshäusern und dessen Auswirkungen auf Wetter und Pflanzenwachstum. Industriell ist sie an einer Reihe von Prozessen von Kernreaktoren, darunter die Zerfallswärmeabführung und Konvektion von geschmolzenen Reaktorkernen, beteiligt. Viele numerische Methoden für die Berechnung der Strömungsdynamik (CFD, computational fluid dynamics) konzentrieren sich auf den vollständig entwickelten turbulenten Zustand. Das EU-finanzierte Projekt T2T-VHF (Transition to turbulence of volumetrically heated flows) hatte zum Ziel, mathematische Modelle, die den Übergang von gleichmäßigen laminaren Strömungen zur den chaotischen Turbulenzströmungen erfassen, zu entwickeln. Insbesondere untersuchten die Wissenschaftler das vor-chaotische Bifurkationsverhalten von stark nicht linearen Gleichgewichtslösungen für inkompressible volumetrisch erwärmte Schubflüsse (VHSFs, volumetrically heated shear flows) in einem langen Kanal. Die Modelle werden eine Konstruktion der Steuerung dieses Übergangs ermöglichen und, wenn sie mit turbulenten Strömungsmodellen vereint werden, ein ganzheitliches Bild der Fluidflüsse durch ihre gesamte Entwicklung bieten. Der Turbulenzübergang von VHSFs wurde unter Verwendung einer spektralen Stabilitätsanalyse und CFD (Finite-Volumen-Verfahren) modelliert. Erstere identifiziert stabile und instabile Strömungszustände schnell und einfach, erfordert jedoch eine sorgfältige Darstellung der berücksichtigten Geometrien, was recht kompliziert sein kann. Das Ziel war die Erstellung einer Toolbox, die Ergänzungen zum Finite-Elemente-Code ermöglicht, sodass Strömungszustände in komplexere Geometrien modelliert werden können, was derzeit mit der Spektralmethode nicht möglich ist. Die Wissenschaftler konzentrieren sich auf den komplexen Zustands-Raum, der bei der Verwendung der spektralen Stabilitätsanalyse für Bedingungen eines konstanten Druckgefälles entdeckt wurde. Dies erlaubte es Ihnen, den Zustands-Raum beim Übergang von der laminaren Leitung hin zu einer laminaren Konvektion zur unstetigen, kohärenten Wellenströmung eindeutig zu begreifen. Die Modellergebnisse stimmten größtenteils mir den experimentellen Daten in der Literatur überein. Die Arbeiten wurden auf verschiedenen Konferenzen und Treffen sowie in durch Experten geprüften wissenschaftlichen Fachzeitschriften vorgestellt. Die fortschrittlichen Modelle, die den Übergang von laminaren zu turbulenten Strömungen von VHSFs in einem langen Kanal beschreiben, werden die Leistungsfähigkeit der bestehenden Beschreibungen wahrscheinlich erweitern. Sie könnten in zahlreichen Feldern, wie Wettermustern oder Kernenergie, Anwendung finden.
Schlüsselbegriffe
Laminare Strömung, Turbulenz, Fluidströmung, volumetrische Wärmeflüsse, spektrale Stabilitätsanalyse
