Turbulente Strömungen sind allgegenwärtig in Natur und Technik. Die oft wichtigste Frage ist die nach ihren Transporteigenschaften. Das gilt für den Wärme-, Massen- und Impulstransport, der den hydrodynamischen Widerstand der Strömung bestimmt, beispielsweise eines Flugzeugs, Autos, Radrennfahrers oder Eisschnellläufers. Ein Beispiel für den turbulenten Wärmetransport, der uns ganz direkt betrifft, ist die Wärme, die wir an die Umgebung abgeben: Wir fühlen direkt, dass wir im kalten Wind mehr frieren als in windstiller Umgebung. Auf viel größerer Skala ist der Abtransport der Abwärme von elektronischen Geräten, von chemischen Reaktionen, in der Metallproduktion oder von Kraftwerken sehr wichtig. Beispiele auf noch größerer Skala sind der Wärmetransport in der Atmosphäre, im Ozean, im Kern und in der äußeren Hülle der Erde oder in Sternen.
Die meisten dieser Systeme sind für eine detaillierte Modellierung viel zu kompliziert. Daher haben die Fluidphysiker stark vereinfachte Modellsysteme entwickelt, die auf die wesentlichen Eigenschaften reduziert sind. Für den Wärmetransport ist das die Rayleigh-Bénard-Strömung in einem von unten geheizten und von oben gekühlten Gefäß (Abb. 1a). Für den Impulstransport ist es die Taylor-Couette-Strömung zwischen zwei koaxialen rotierenden Zylindern (Abb. 1b). An diesen paradigmatischen Systemen sind in den letzten hundert Jahren viele neue Konzepte ausprobiert worden – Instabilitäten, nichtlineare Dynamik und Chaos, Musterbildung [1] oder Turbulenz [2 – 6]. Warum diese beiden Systeme sozusagen zu „Drosophilas der Fluidphysik“ wurden, hat verschiedene Gründe (...)
