Momentum Transport in Rotating Shear Turbulence

In turbulent shear flows, the interaction of vortices with a solid surface determines the drag exerted by the fluid. In many practical examples, wall curvature or additional body forces influence the flow and consequently change the drag. Therefore, understanding the co...

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1. Verfasser: Brauckmann, Hannes Jörn
Beteiligte: Eckhardt, Bruno (Prof. Dr.) (BetreuerIn (Doktorarbeit))
Format: Dissertation
Sprache:Englisch
Veröffentlicht: Philipps-Universität Marburg 2016
Physik
Ausgabe:http://dx.doi.org/10.17192/z2016.0238
Schlagworte:
Online Zugang:PDF-Volltext
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title Momentum Transport in Rotating Shear Turbulence
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Physik
Strömungsmechanik
Turbulenz , Physik
Taylor-Couette-Strömung
Fluid mechanics , Rotating turbulence
Taylor-Couette flow
Direct numerical simulations
Physics
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.
Brauckmann, Hannes Jörn
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description In turbulent shear flows, the interaction of vortices with a solid surface determines the drag exerted by the fluid. In many practical examples, wall curvature or additional body forces influence the flow and consequently change the drag. Therefore, understanding the connection between the turbulent motion and the drag force (or torque) represents an important task for fluid dynamics research. We study this connection in Taylor-Couette flow, the motion of a fluid between two independently rotating concentric cylinders, which serves as a fundamental model system to analyse the effects of wall curvature and system rotation on the turbulence and angular momentum transport resulting in the torque. Differential rotation, mean rotation and curvature of the cylinders can be varied independently by means of the shear Reynolds number Re_S, rotation number R_Ω and radius ratio η. Because of its large parameter space, the Taylor-Couette flow shows a variety of turbulent phenomena that we study in direct numerical simulations using a spectral method. Furthermore, we introduce physical models to explain the observed turbulent behaviour.
contents 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.
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