TurbulenzInteraktionen

TurbulenzInteraktionen bezeichnet in der Strömungsmechanik die nichtlinearen Kopplungen zwischen Skalen in turbulenten Strömungen, die den Energiefluss, die Strukturbildung und die statistischen Eigenschaften der Strömung bestimmen. Der Begriff umfasst sowohl lokale als auch nichtlokale Wechselwirkungen zwischen unterschiedlich großen Wirbeln und Strömungsstrukturen.

In der theoretischen Beschreibung treten Triadenwechselwirkungen im Fourier-Raum auf, bei denen Wellenzahlen k1, k2 und k3 zusammenhängen. Die Energie fließt typischerweise von großen, energetischen Skalen zu kleineren Skalen (Energie-Cascade), was kolmogorovartige Statistiken sowie intermittierende Ereignisse zur Folge haben kann. Nichtlokale Interaktionen spielen besonders in anisotropen oder kompressiblen Grenzschichten eine Rolle.

Zur Modellierung werden Direct Numerical Simulation (DNS) eingesetzt, um alle Skalen direkt zu lösen, sowie Large-Eddy Simulation (LES), bei der nur die großräumigen Strukturen aufgelöst und kleinräumige Wechselwirkungen modelliert werden. Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) und verschiedene Turbulenz-Closure-Modelle, wie der Smagorinsky- oder der dynamische Ansatz, fassen Turbulenz-Interaktionen in effektive Transportgrößen zusammen. Zunehmend kommen datengetriebene Ansätze hinzu, die triadische Interaktionen identifizieren oder analysieren und so neue Einsichten in Skalentransfers liefern.

Anwendungen finden sich in der Luftfahrt, der Automobil- und Verfahrenstechnik, in der Meteorologie, Ozeanografie und Astrophysik. Turbulenz-Interaktionen beeinflussen Druckverluste, Mischprozesse, Reaktionsraten und die Verteilung von Temperatur sowie Schadstoffen. Die Forschung zielt darauf ab, Vorhersagegenauigkeit und Rechenaufwand durch bessere Modelle der Skalenwechsel zu verbessern.

Siehe auch: Turbulenz, Kolmogorov-Theorie, Navier-Stokes-Gleichungen, Energie-Cascade, Large-Eddy Simulation.