Referenzexperiment für Untersuchungen der Dynamik und Koexistenz von großräumigen und kleinskaligen Strömungsstrukturen am Beispiel barokliner und Schwerewellen

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Die thermisch getriebene Strömung in einem rotierenden Zylinderspalt (Barokliner Wellentank) dient als Referenzexperiment für das Schwerpunktprogramm (SPP) MetStröm. Dieses Experiment ist ein anerkanntes Modell für meteorologische Strömungen und ist als Referenzexperiment für den MetStröm Teilbereich „Große Skalen/Dynamik“ besonders geeignet, weil es sehr gut kontrollierbare Randbedingungen besitzt und bereits zahlreiche internationale Gruppen Untersuchungen im leicht überkritischen Wellenbereich mit diesem Modell durchgeführt haben. Die im Referenzexperiment gemachten (Phase 1) und für die Zukunft geplanten Untersuchungen (Phase 2) gehen aber über die früher gemachten Arbeiten hinaus und beziehen sich auf die Charakterisierung bisher nur sehr wenig untersuchter koexistierender groß- und kleinräumiger Strukturen beim Übergang in die Turbulenz.Im Rahmen der für Phase 2 geplanten Referenzexperimente konzentrieren wir uns auf simultane Geschwindigkeits- und Temperaturmessungen mit dem Fokus auf kleinskalige Strukturen. Diese werden vornehmlich für weit überkritische Bereiche mit hohen Taylorzahlen beobachtet, in denen das Strömungsregime typischerweise eine Vielzahl koexistierender Skalen aufweist. Zur quantitativen Bestimmung der Strömungsfelder sind bewährte räumlich und zeitlich hochauflösende berührungsfreie Messverfahren (LDA- und PIV-Messungen) vorgesehen. Gleichzeitig mit PIV- und LDA-Messungen werden Temperaturfelder an der Oberfläche mit einer Infrarot-Kamera quantitativ bestimmt. In Phase 1 konnten wir bereits solche simultanen Messungen durchführen. Für Phase 2 wollen wir aber noch weiter in das irreguläre Regime vordringen. Dazu muss der bestehende Experimentaufbau mit einem Schleifring ausgestattet werden, der eine Co-Rotation der Kameras mit dem Zylinderspalt erlaubt.Simultane Messungen von Geschwindigkeit und Temperatur erlauben es, punktuelle, zeitlich hoch aufgelöste LDA-Messungen dem „globalen Wellenfeld“ zuzuordnen. Auch lassen sich PIV-Messungen in radialer-axialer Ebene durchführen, ohne den Bezug zum Wellenfeld zu verlieren. Dies ist zum einen wichtig für die Interpretation der Daten, zum anderen können Strukturen gefunden werden, die mit dem PIV-System allein nicht zu erfassen sind. Nicht zuletzt erhöhen simultane Messungen von Temperatur und Geschwindigkeit die Qualität der Benchmarkdaten für numerische Verfahren ganz erheblich.Zur Auswertung der Daten und zur Charakterisierung der gemessenen Zustände werden Methoden der nichtlinearen Zeitreihenanalyse eingesetzt. Gemessene Felder werden mit bewährten Verfahren der Multivariaten Statistik analysiert. Etablierte Verfahren werden aber auch an die speziellen Gegebenheiten unseres Experiments angepasst, um z.B. die Zylindersymmetrie geeignet auszunutzen. Phase 1 hat gezeigt, dass solche Analysen nicht nur nützlich sind zum Aufbereiten der Daten, sondern auch neue Einblicke in die Dynamik bei Regimeübergängen erlauben. Für Phase 2 planen wir auch numerische Experimente an der BTU Cottbus, die in enger Kooperation mit numerischen Arbeitsgruppen aufgesetzt werden. Solche Experimente sind wichtig, um Messungen, insbesondere von kleinskaligen Phänomenen, vor Ort zu unterstützen. Alle gewonnenen Messdaten und Ergebnisse werden den numerischen Arbeitsgruppen innerhalb des Schwerpunktprogramms als Benchmarkdaten zur Verfügung gestellt. Eine Internet Plattform zum Herunterladen der Daten ist bereits in Arbeit. Tabelle 1 zeigt bisherige und zukünftige Kooperationen innerhalb von MetStröm. Für Phase 3 planen wir, zusätzlich topographische Rossby- und Schwerewellen im Zylinderspalt anzuregen und deren Wechselwirkung mit den baroklinen Wellen experimentell zu untersuchen.