Zeitlich modulierte Statistik der periodisch gestörten turbulenten Kanalströmung

Abstract

Die turbulente Kanalströmung wird durch periodische Variation einer longitudinalen Wandgeschwindigkeit oder eines treibenden Druckgradienten, einer zeitlichen Veränderung der Randbedingungen ausgesetzt. Die zeitabhängigen Antworten verschiedener Eigenschaften von Strömungsstrukturen - modulierte Statistik - werden mittels einer direkten numerischen Simulation hinsichtlich der Frage untersucht, ob die Turbulenz als Zusammenspiel wechselwirkender Strukturen verstanden werden kann. Statistische Größen die stabil auf die schwache äußere Störung reagieren, werden als Eigenschaften von solchen Strukturen angesehen, die, falls sie sich als selbstkonsistent erweisen, als Grundbausteine der Turbulenz verwendet werden könnten. Untersucht werden die zeitlichen Modulationen, mit der die räumliche Turbulenzstruktur auf die Variation der Randbedingungen antwortet. Neben den Modulationen der räumlichen Korrelationen und Spektren werden auch Modulationen von Amplitudenverteilungen diverser Strömungsparameter ausgewertet. Bereits in der stationären Stömung zeigt sich, dass bestimmte Wellenzahlbereiche im räumlichen Spektrum der turbulenten Schubspannung zu einer negativen Produktion von turbulenter kinetischer Energie führen, also zu einem Energiefluss von der Turbulenz zurück in die mittlere Strömung. Bei kleinen und moderaten Anregungsamplituden bleiben alle langzeitgemittelten statistischen Eigenschaften der Turbulenz praktisch unbeeinflusst. Durch phasenstarre Mittelung zeigt sich, dass die spannweitige Struktur der Strömung meist einheitlich und weit weniger beeinflusst wird als die axiale. Räumliche Kohärenzen sind vergleichsweise stabil. Auch die Form der Amplitudenverteilungen kann zu den stabileren Eigenschaften der Strömung gezählt werden. Auf schnelle zeitliche Änderungen reagiert das turbulente Strömungsfeld viskoelastisch. Für die Dynamik der wandnahen Turbulenz sind gewisse Wandabstandsbereiche von besonderer Bedeutung.