Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) hat die abgeschlossene erste Phase der DFG-Forschergruppe „Turbulenz“ als „exzellent“ bewertet und eine zweite Phase zur Fortsetzung der Forschungsarbeiten bewilligt. Die Forschergruppe der technischen Universitäten Ilmenau und Cottbus, der Universitäten Marburg und Erlangen-Nürnberg sowie des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen erhält für die nächsten drei Jahre insgesamt mehr als zwei Millionen Euro, die Technische Universität Ilmenau allein 450.000 Euro. Die Physiker und Ingenieure arbeiten gemeinsam an der Erforschung turbulenter Strömungen, wie sie zum Beispiel in der Atmosphäre, aber auch in Flugzeugkabinen oder großen Konzerthallen auftreten.

„Die Beschreibung turbulenter Strömungen ist nach wie vor eine der größten Herausforderungen in den Ingenieurwissenschaften und der klassischen Physik“, heißt es auf der Website der Deutschen Forschungsgemeinschaft. Die Schwierigkeit, turbulente Strömungen in den Griff zu bekommen, begegnen uns im täglichen Leben auf Schritt und Tritt, zum Beispiel, wenn solche Strömungen die Wettervorhersage unwägbar machen. Bisher bekannte Theorien und Modelle von Wissenschaftlern, sie zu handhaben, sind aber noch unzureichend, denn sie weichen umso mehr von den gemessenen Werten ab, je stärker eine Strömung turbulent wird. Die Forschergruppe strebt an, Strömungsturbulenzen in Experimenten und Computersimulationen besser zu erforschen.

Bei der Bearbeitung des sperrig klingenden Forschungsthemas „Wandnahe Transport- und Strukturbildungsprozesse in turbulenten Rayleigh-Bénard-, Taylor-Couette- und Rohrströmungen“ haben die Wissenschaftler bereits in der ersten Phase bedeutende Fortschritte erzielt. Drei fundamentale Einzelströmungsarten, die bisher meist getrennt betrachtet wurden, verglichen sie miteinander: Thermische Konvektion in einer von unten geheizten Zelle (Rayleigh-Bénard-Strömung), Scherturbulenz zwischen zwei konzentrischen, sich drehenden Zylindern (Taylor-Couette-Strömung) und druckgetriebene Turbulenz in einer Rohrströmung. In den meisten komplexeren Turbulenzen tauchen Aspekte dieser drei Grundströmungen auf: Öl und Erdgas strömt durch Pipelines und wird dabei turbulent. Dieses Phänomen ist für die Energiekonzerne ein Problem, weil es zum Druckabfall führt und energieintensive Verdichterstationen nötig macht. Passivhäuser benötigen effiziente, geschlossene, durch Konvektion getriebene Lüftungs- und Heizkreisläufe. In der nun beginnenden zweiten Phase geht es darum, in den drei Strömungssystemen, Analogien und Unterschiede im globalen Transportverhalten bei voll entwickelter Turbulenz noch stärker herauszuarbeiten. Prof. Jörg Schumacher, stellvertretender Sprecher der DFG-Forschergruppe „Turbulenz“ und Leiter des Fachgebiets Strömungsmechanik an der TU Ilmenau, ist zuversichtlich, dass dies für die Turbulenzforschung einen erheblichen Fortschritt bedeuten wird: „Versteht man das Zusammenspiel dieser drei grundlegenden Strömungen, hält man den Schlüssel zur besseren Modellierung, das heißt auch zur besseren Kontrolle komplexer Turbulenzen in der Hand.“ Am Ende der Arbeiten der Forschergruppe „Turbulenz“ könnten besser belüftete Gebäude stehen und Flugzeugkabinen, die nicht mehr im Fußbereich kalt und in Kopfhöhe heiß sind.

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