Modellierung turbulenter Strömungen mit Anwendungsfällen in der Bioklimatologie und Astrophysik
Modelling of turbulent flows with applications in bioclimatology and astrophysics
by Johannes Merklein
Date of Examination:2014-01-24
Date of issue:2014-02-06
Advisor:Prof. Dr. Gert Lube
Referee:Prof. Dr. Gert Lube
Referee:Prof. Dr. Oleg Panferov
Referee:PD Dr. Wolfram Schmidt
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Name:Dissertation-Johannes-Merklein-mFx.pdf
Size:18.0Mb
Format:PDF
Abstract
English
When on the photo above the west wind Zephyr and in his arms the morning breeze Aura is not floating Venus on the shores of Cyprus , but instead blows out the birthday cake , then his breathing is what is known in fluid mechanics as " laminar flow " . A flow whose streamlines are parallel to one another and track their individual elements , here the air molecules , a rectified way . " Turbulent ", however, is the rising smoke from the candles on the cake that is blown away "towards the east " . This turbulence of liquids and gases is ubiquitous in our world, whether directly visible or invisible to our eyes : the air that is deeply drawn into our lungs to the alveoli , the traces of milk while stirring the contents in a coffee cup , the smoke , rising from a chimney , the water around the big and small pebbles in a stream, the wind that swirls around the church tower and the corner of the house , the hot plasma , which extents in fire flares from the sun's surface into space , or the large clouds of cosmic dust , which condense in swirls and eddies into galaxies or stars . " Turbulent " is thus a flow whose streamlines seem to cross over and where the individual elements follow no rectified way. Instead, there are a wide variety of shapes and patterns of entangled eddies on all scales . Because of this complexity in shapes and scale the description and prediction of turbulence belongs to the great mysteries in physics and mathematics for centuries. Since turbulent flows are nevertheless so central to many areas of human life and action , basic and applied research is pursued with vigor. The present study includes three applications of turbulence research, and it may be regarded as indicative of the ubiquity of turbulence that these three applications play in such different size scales . The wind cooling of cattle, which must be considered in the sub -millimeter scale in the range of coat and skin surface, the endangerment of forests by storms, to which sizes of between half a meter on the trees and several kilometers in the countryside are relevant, and finally the turbulent events in cosmic gas clouds and galaxies that takes place in the size range of many millions of light years. Not only in the techniques of modeling, but also in the physical reality these phenomena are closely related despite the massive difference in scales. In this sense, from the cosmos to the cow .
Keywords: computational fluid mechanics; turbulence modelling; turbulence in galaxy clusters; storms in forests; thermomodel for ruminants; wind cooling of ruminants
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Wenn auf dem Foto oben der Westwind Zephyr und in seinen Armen die Morgenbrise Aura nicht Venus an die Gestaden Zyperns treibt, sondern stattdessen den Geburtstagskuchen ausbläst , dann ist sein Atem das, was in der Strömungsmechanik als „laminare Strömung“ bezeichnet wird. Eine Strömung, deren Stromlinien parallel zueinander verlaufen und deren Einzelelemente, hier die Luftmoleküle, einen gleichgerichteten Weg verfolgen.
„Turbulent“ ist hingegen der von den Kerzen aufsteigende Rauch über dem Kuchen, der „Richtung Osten“ hinweggeblasen wird. Diese Turbulenz von Flüssigkeiten und Gasen ist allgegenwärtig in unserer Welt, ob für unser Auge direkt sichtbar oder unsichtbar: die Luft, die tief in unsere Lunge eingesogen wird bis hin zu den Lungenbläschen, die Spuren der Milch beim Umrühren in einer Kaffeetasse, der Rauch, der von einem Schornstein aufsteigt, das Wasser rund um die großen und kleinen Kiesel in einem Bach, der Wind, der den Kirchturm und die Hausecke umwirbelt, das heiße Plasma, das in Feuerfackeln von der Sonnenoberfläche ins Weltall hinauslodert, oder die großen Wolken kosmischen Staubs, die sich in Strudeln und Wirbeln zu Galaxien oder Sternen verdichten.
„Turbulent“ ist also eine Strömung, deren Stromlinien sich zu überkreuzen scheinen und deren Einzelelemente keinen gleichgerichteten Weg verfolgen. Stattdessen existieren vielfältigste Formen und Muster von miteinander verschränkten Wirbeln auf allen Größenskalen.
Aufgrund dieser Komplexität in Formen und Skalen gehört die Beschreibung und Vorhersage von Turbulenz schon seit Jahrhunderten zu den großen Rätseln in Physik und Mathematik. Da turbulente Strömungen gleichwohl derart zentral sind für viele Bereiche menschlichen Lebens und Handelns, werden Grundlagen- und Anwendungsforschung mit Nachdruck vorangetrieben. Die vorliegende Arbeit umfaßt gleich drei Anwendungsfälle von Turbulenzforschung, und es darf als bezeichnend für die Allgegenwart der Turbulenz angesehen werden, daß sich diese drei Anwendungen in solch unterschiedlichen Größenskalen abspielen. Die Windabkühlung von Rindern, die bis in den Sub-Millimeter-Maßstab im Bereich von Fell und Hautoberfläche hinein betrachtet werden muß, die Sturmge-fährdung von Wäldern, für die Größen zwischen einem halben Meter an den Bäumen und mehreren Kilometern in der Landschaft relevant sind, und zu guter Letzt das turbulente Geschehen in kos-mischen Gaswolken und Galaxienhaufen, das sich im Größenbereich von vielen Millionen Lichtjahren abspielt. Nicht nur in den Techniken der Modellierung, sondern auch in der physikalischen Wirklich-keit sind diese Phänomene trotz der gewaltigen Größenunterschiede eng verwandt. In diesem Sinne: vom Kosmos zur Kuh.
Schlagwörter: Fluidmechanik; Turbulenzmodellierung; Turbulenz in Galaxienhaufen; Stürme in Wäldern; Thermomodell für Wiederkäuer; Windabkühlung von Wiederkäuern