energiekaskade

Energiekaskade is een begrip uit turbulente vloeistoffenomgeving en beschrijft hoe kinetische energie die wordt ingebracht op grote lengteschalen, via interacties tussen vortices, wordt doorgegeven aan steeds kleinere schalen. Het proces eindigt niet bij een tussenstap, maar gaat door tot de energie uiteindelijk verloren gaat door viscose dissipatie als warmte op de kleinste schaal. De energiekaskade is een kernonderdeel van de theorie over turbulentie en wordt doorgaans bestudeerd in relatie tot de energie- en enstroomspectra van een stroming.

In drie dimensionale turbulentie leidt de energiekaskade meestal tot een forward cascade: energie stroomt van grootschalige structuren naar kleinere structuren. In de inertial range blijft de energiestroom vrijwel constant, oftewel de flux ε blijft ongeveer gelijk. Een klassieke beschrijving is de Kolmogorov-theorie uit 1941, die stelt dat de energie-spectrum E(k) volgt als E(k) ∝ ε^{2/3} k^{-5/3}, waarbij k de golfgetal is. Deze wetmatigheid biedt een schatting van de verdeling van energie over de schalen in een fully developed turbulent systeem.

In twee dimensionale stromingen kan de energiekaskade een inverse cascade vertonen: energie verplaatst zich van kleinere naar grotere schalen, terwijl er tegelijkertijd een forward cascade van enstroom naar kleinere schalen kan optreden. Deze verschillen tussen 2D en 3D turbulentie zijn relevant voor geofysische toepassingen en engineering.

Toepassingen van het concept zijn onder meer het modelleren van turbulente stromingen in engineering, meteorologie en oceaanwetenschappen, en het ontwikkelen van numerieke methoden zoals large-eddy simulation en subgrid-scale modellen om energieoverdracht over de Schalen te beschrijven.