An Experimental Study of Bulk Turbulence in Dilute Polymer Solutions

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Viskoelastische Turbulenz vereinigt zwei sehr komplexe Probleme der Strömungsphysik, die Turbulenz in Flüssigkeiten sowie die Eigenschaften von nicht-Newtonschen Fluiden. Sie steht im Zusammenhang mit einer Vielzahl von noch nicht verstandenen Phänomenen, wie etwa der drastischen Reduktion des turbulenten Strömungswiderstandes durch Zugabe geringster Mengen langkettiger, flexibler Polymere. Es gibt zwar erfolgversprechende Modelle, die die Wechselwirkung der elastischen Freiheitsgrade mit der Flüssigkeit zu verstehen versuchen, jedoch mangelt es an strengen Tests der Theorien. Im beantragten Projekt sollen daher, mit Hilfe des vor kurzem in unserem Institut entwickelten dreidimensionalen Systems zur Verfolgung Lagrangescher Teilchen, detaillierte Messungen der Bulk-Turbulenz in verdünnten Polymerlösungen in weiter Entfernung von den Rändern erfolgen. Das dynamische Verhalten turbulenter Strömungen soll sowohl oberhalb der Kolmogorovskala, als auch im Bereich der Kolmogorovlänge untersucht werden. Die Eulersche sowie die Lagrangesche Statistiken sollen studiert werden, wobei der Schwerpunkt auf der Untersuchung der letzteren liegt, da sie mit der Dynamik der Polymermoleküle, die von der Turbulenz mitgetragen werden, direkt verbunden ist. Der Einfluss der Inhomogenität und der Anisotropie der großen Skalen wird untersucht, indem man Messungen in annähernd isotropen und homogenen Strömungen mit denen in Strömungen mit einem mittleren Scherprofil vergleicht. Zur Interpretation der Daten und zum Vergleich mit Ergebnissen vorheriger Messungen sollen ebenfalls die rheologischen Eigenschaften, wie Scher- und Dehnungsviskosität der im Experiment verwendeten Lösungen gemessen werden. Unsere Ergebnisse, insbesonders die Lagrangeschen Messungen, zählen zu den ersten dieser Art in der Bulk-Turbulenz bei hohen Reynoldszahlen. Die experimentellen Ergebnisse werden dazu genutzt, die bereits vorhandenen Theorien und numerischen Simulationen kritisch zu prüfen. Sie könnten uns ebenfalls wichtige Einblicke liefern, die weitere theoretische Entwicklungen ermöglichen und neue oder verbesserte Simulationsmodelle aufzustellen helfen.