Pirouetten im Chaos der Turbulenz

  • 07. June 2011

Erkenntnisse, wie Wirbel sich in einer turbulenten Strömung verhalten, könnten die Simulation von Wolken in Klimamodellen erleichtern

Das schnelle Vermischen von Kaffee und Milch nach dem Umrühren oder die Bildung von Regentropfen in Wolken sind nur zwei von vielen Phänomenen, in denen Turbulenzen eine tragende Rolle spielen. Nun haben Forscher des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen und der Ecole Normale Superieure de Lyon gefunden, dass die chaotisch erscheinenden Turbulenzen erstaunlich viel Ordnung enthalten. Sie konnten bei Wirbeln in einer turbulenten Flüssigkeit einen Effekt beobachten, der sich ähnlich verhält wie ein Eisläufer bei einer Pirouette, wenn er die Arme anwinkelt und dadurch seine Rotationsgeschwindigkeit erhöht.

Abb.: Mehrere Kameras verfolgen Teilchen, die in einer turbulenten Wasserströmung verwirbeln und von einem intensiven Laser angestrahlt werden. Die Bahnen von vier Partikeln zeigten, dass ein Wirbel sich wie ein Pirouetten drehender Eisläufer zusammenzieht und dabei schneller wird. (Bild: Eberhard Bodenschatz / MPI für Dynamik und Selbstorganisation)

Abb.: Mehrere Kameras verfolgen Teilchen, die in einer turbulenten Wasserströmung verwirbeln und von einem intensiven Laser angestrahlt werden. Die Bahnen von vier Partikeln zeigten, dass ein Wirbel sich wie ein Pirouetten drehender Eisläufer zusammenzieht und dabei schneller wird. (Bild: Eberhard Bodenschatz / MPI für Dynamik und Selbstorganisation)

Die Forscher beobachteten in einer turbulenten Wasserströmung mit einer Hochgeschwindigkeitskamera Polystyrolteilchen, die von einem Laser beleuchtet wurden. Bei der Analyse der Bilder griffen sie sich ein Teilchen heraus, das von drei weiteren je gleich weit entfernten Partikeln umgeben war, sodass sie zusammen einen Tetraeder bildeten. Sie verfolgten, wie sich die Lagen der Teilchen zueinander mit der Zeit veränderten.

Dabei konnten sie beobachteten, wie die Strömung den Tetraeder streckte, so dass er schlanker wurde. Zusätzlich richtete sich die Drehachse des Tetraeders parallel zur ursprünglichen Streckrichtung der Strömung aus und die Drehgeschwindigkeit des gestreckten Tetraeders erhöhte sich. Da eine weiter von der Drehachse entfernt liegende Masse einer Drehung mehr Widerstand entgegensetzt als innen liegende, erhöht sich das Tempo der Drehung, wenn Masse von außen nach innen verlagert wird. Die Forscher sprechen aufgrund der Drehimpulserhaltung von einem Pirouetten-Effekt.

Ein Wirbel in einer turbulenten Strömung erfährt also keine Drehmomente, die den Drehimpuls ändern. Der Pirouetten-Effekt zeige, dass innerhalb des Durcheinanders der Turbulenz „eine ziemlich große Ordnung“ herrsche, so die Forscher. Diese Ordnung im Durcheinander zeigte sich auf mehreren Größenskalen: bei Wirbel von einigen Millimetern bis zu mehreren Zentimetern Durchmesser. Diese Ergebnisse können bei der Simulation von Turbulenz helfen, insbesondere bei der Wechselwirkung verschiedener Größenskalen.

Zudem konnten sie die Frage beantworten, wie Energie von großen zu immer kleineren Wirbeln fließt und sich schließlich in den kleinsten Wirbeln in Wärme umwandelt. Große Wirbel haben nämlich die Eigenschaft, sich in einer Strömung zu verlängern und sich schneller um ihre Längsachse zu drehen. Dadurch werden sie instabil und zerfallen schließlich in kleinere Wirbel, die das gleiche wieder durchmachen, bis die Kaskade bei ganz kleinen Wirbeln ankommt. Dabei verlangsamen sich die Drehgeschwindigkeiten der Wirbel, je kleiner diese werden. Bei den langsam drehenden Miniwirbeln schließlich wirkt sich die Reibung so stark aus, dass die Bewegungsenergie in Wärme umgewandelt wird. Diese Energiekaskaden sind z.B. bei Mischvorgängen entscheidend.

MPG / MH

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