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Control of Turbulence

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Turbulenzen vorhersagen und steuern

Bewegt sich ein Gas wie Luft oder eine Flüssigkeit wie Wasser entlang der Oberfläche eines Objekts, ist eine gut geordnete Strömung bei niedriger Geschwindigkeit zu beobachten. Für einige EU-finanzierte Forscher stellte die Wirbelbewegung, die in verschiedensten Wirbelformen anwächst, wenn die Geschwindigkeit eine bestimmte Grenze überschreitet, ein Rätsel dar, das entschlüsselt werden muss.

Industrielle Technologien

Alle turbulenten Fluidströmungen weisen gemeinsame Merkmale wie zum Beispiel die unregelmäßige Bewegung und Dissipation auf. Ein grundlegendes Verständnis der Turbulenz wird den Ingenieuren die Verminderung des Luftwiderstands bei Flugzeugen und die Ausnutzung von vorteilhaften Effekten bei der Beschleunigung von Mischung und Verbrennung ermöglichen. Es ist jedoch gleichermaßen erforderlich, den Blutfluss im Herzen, insbesondere in der linken Herzkammer, zu erfassen, wenn die Bewegung besonders schnell ist. Die Beschreibung der Turbulenz basiert auf der Annahme, dass die Strömungsvariablen die Navier-Stokes-Gleichungen erfüllen. Theoretisch zeigen diese Gleichungen die Geschwindigkeit und den Druck eines Fluids an, das an einem beliebigen Punkt nahe einer Objektoberfläche vorbeirauscht. Schwerpunkt des Projekts "Control of turbulence" (COT) waren die Relevanz instabiler Lösungen der Navier-Stokes-Gleichungen und deren Rolle als Bausteine der Turbulenz. Den COT-Forschern gelang es, etliche Wanderwellenlösungen (Travelling-Wave-Lösungen, Travelling Wave Solutions, TWS) zu finden. Man nahm an, dass derartige Lösungen für das Auftreten von Turbulenzen bei einer Reynolds-Zahl von etwa 2 000 relevant sind. Die Forscher quantifizierten und bestätigten die Rolle derartiger Strukturen durch Konvergieren verschiedener Zustände von wandnahen Strömungen, die bei Experimenten an TWS beobachtet wurden. Ein weiterer Schwerpunkt des COT-Projekts war die Steuerung von Turbulenzen. Die COT-Forscher führten unter Ausnutzung von Wissen über turbulenzfördernde Mechanismen vor, dass einige Travelling-Wave-Lösungen einem Turbulenzbeginn bei einer größeren Reynoldszahl entsprechen. Infolgedessen kann das Einsetzen wandnaher Turbulenzen verzögert werden, indem zum Beispiel der Druck mittels Wandabsaugung reguliert wird. Da immer mehr Einblicke in die Fluiddynamik gewonnen werden, hofft man bei COT darauf, schon bald über eine Prognose der Turbulenzeffekte hinaus diese tatsächlich steuern zu können. Eine derartige Kontrolle hätte enorme Vorteile für die Luft- und Raumfahrtindustrie, da sich eine Verminderung des Luftwiderstands bei Verkehrsflugzeugen um 10 % in einem 40 %igen Anstieg der Gewinne der Fluggesellschaften widerspiegeln könnte.

Schlüsselbegriffe

Turbulenz, Turbulenzvorhersage , Luftwiderstand, Flugzeuge, Luftfahrzeug, Navier-Stokes-Gleichungen, Wanderwellenlösungen, Travelling-Wave-Lösungen, Reynoldszahl, Wandabsaugung

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