Transport and structure formation in Taylor-Couette flow: theory and simulation

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Die Strömung zwischen zwei konzentrischen, rotierenden Zylindern zeigt in einigen Parameterbereichen Eigenschaften wie sie auch bei der thermischen Konvektion beobachtet werden (u.a. eine lineare Instabilität des laminaren Profils bei rotierendem Innenzylinder), in anderen ein Verhalten, das von Scherströmungen wie etwa der Rohrströmung her bekannt ist (Turbulenz ohne lineare Instabilität bei rotierendem Außenzylinder). Unter Ausnutzung einer Analogie zum Wärmestrom in der Rayleigh-Bénard Konvektion sollen das Gesamtdrehmoment in den verschiedenen Parameterbereichen berechnet und auf seine Skaleneigenschaften hin analysiert werden. In der ersten Projektphase ist dafür ein numerischer Code etabliert worden, mit dem Reynoldszahlen bis 30.000 erreicht und viele in den jüngsten Experimenten beobachteten Phänomene erschlossen werden können. Insbesondere bei gegenrotierenden Zylindern zeigt die Strömung mit einem Maximum im Drehmoment und einer Instabilität der Grenzschicht am Außenzylinder ein Verhalten ein unerwartetes Verhalten. In der zweiten Projektphase sollen die vorgeschlagenen Mechanismen für diese Beobachtungen geprüft werden. Im Grenzfall der rotierenden ebenen Couette Strömung ergeben sich Verbindungen zu den anderen Scherströmungen und der räumlich-zeitlichen Dynamik von turbulenten Flecken und Streifen. Neben direkten numerischen Simulationen wird auch auf experimentelle Ergebnisse aus Cottbus, Göttingen und Twente zurückgegriffen werden können.