Momentum Transport in Rotating Shear Turbulence

In turbulenten Scherströmungen verursacht die Wechselwirkung von Wirbeln mit einer festen Oberfläche den Strömungswiderstand. Bei vielen Praxisbeispielen beeinflussen Wandkrümmung oder zusätzliche Volumenkräfte die Strömung und verändern somit den Widerstand. Daher besteht eine wichtige Aufgabe der Strömungsforschung darin, den Zusammenhang zwischen turbulenter Bewegung und Widerstandskraft (oder Drehmoment) zu verstehen. Wir studieren diesen Zusammenhang am Beispiel der Taylor-Couette-Strömung, der Flüssigkeitsbewegung zwischen zwei unabhängig rotierenden konzentrischen Zylindern. Sie dient als fundamentales Modellsystem, um den Einfluss von Wandkrümmung und Rotation auf die Turbulenz und den Drehimpulstransport zu untersuchen, welcher das Drehmoment verursacht. Die differentielle Rotation, mittlere Rotation und Krümmung der Zylinder können unabhängig voneinander mithilfe der Scher-Reynoldszahl Re_S, der Rotationszahl R_Ω und des Radienverhältnisses η variiert werden. Wegen der großen Zahl möglicher Parameterkombinationen zeigt die Taylor-Couette-Strömung eine Vielfalt von turbulenten Phänomenen, welche wir in direkten numerischen Simulationen mit einem spektralen Verfahren studieren. Zudem präsentieren wir physikalische Modelle, welche das beobachtete turbulente Verhalten erklären.