Turbulente Diffusion: Experimentelle Untersuchung, Modellierung und Direkte Numerische Simulation

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Ziel des Forschungsvorhabens ist es, eine in den letzten Jahren entwickelte Turbulenztheorie auf der Basis der Lie-Gruppen-Theorie weiter zu validieren. Mit dem neuen Ansatz sind eine Reihe klassischer semi-empirischer Ansätze, wie z.B. das logarithmische Wandgesetz, vereinigt und eine Vielzahl neuer Turbulenzgesetze hergeleitet worden, die sich ausschließlich aus first principle ergaben.Im Speziellen soll im vorliegenden Antrag der Strömungsfall turbulenter Diffusion untersucht werden, für den mittels der Lie-Gruppen sechs neue stationäre und instationäre Lösungen entwickelt wurden (Oberlack und Guenther 2003). Für die in Abbildung 1 skizzierten Strömung ist in der Literatur lediglich eine stationäre algebraische Lösung für die turbulente kinetische Energie K dokumentiert.Da die weiter gehenden, oben genannten, Lösungen nicht bekannt waren, sollen diese im vorliegenden Projektantrag mit Hilfe von experimentellen und numerischen Daten validiert und somit die Theorie untermauert werden.Bisher sind alle in den letzten Jahren durch die Lie-Gruppen-Theorie entwickelten Lösungen mittels experimenteller oder numerischer Daten bestätigt worden. Eine Validation der neuen Strömungen würde die rein analytische Turbulenz-Theorie weiter stützen.Darüber hinaus beinhalten vor allem die instationären Lösungen eine neue Strömungsphysik einer turbulenten Diffusionswelle, die maßgeblich unser Verständnis von Turbulenz verändern könnte. Ähnlich wie in der Teilchenphysik, in der die Theorie den Experimenten z.T. Jahrzehnte voraus war, soll auch hier theoretisch vorausgesagte neue Strömungsphysik durch Experiment und Simulation validiert werden.Neben der Untersuchung der neuen Lösungen soll die Strömungskonfiguration als Benchmark -Problem für Turbulenzmodelle etabliert und für neue Modellierungskonzepte herangezogen werden.Die Teilziele für das zukünftige Arbeitsgebiet umfassen vier wesentliche Unterpunkte:Messung und Berechnung (DNS) der Strömung sowie qualitative Darstellung/ Visualisierung der großskaligen Turbulenzstrukturen.Detaillierte quantitative Ermittlung ausgewählter statistischer Parameter wie der Ein- und Zwei-Punkt Korrelationen mittels DNS/LES und experimenteller Techniken.Validation der Lie-Gruppen-Theorie anhand der DNS und der experimentellen Daten durch Variation charakteristischer Strömungsparameter, die sich aus der Theorie ergeben.Entwicklung neuer Modellierungskonzepte für Reynolds-gemittelte Gleichungen zur vereinfachten Berechnung der neuen Lösungen.