Projektdaten

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Numerische Analyse von turbulenten Superstrukturen in thermischer Konvektion: Dynamik und Rolle für turbulenten Transport

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In turbulenter Konvektion in horizontal ausgedehnten Schichten kommt es zur Ausbildung von großskaligen Mustern der zeitlich gemittelten Geschwindigkeits- und Temperaturfelder. Diese Muster werden als turbulente Superstrukturen bezeichnet und stehen im Fokus des vorliegenden Antrags. Genauer gesagt möchten wir den dynamischen Ursprung der turbulenten Superstrukturen aus dem schwach nichtlinearen Regime der Konvektion, die Übergänge zwischen verschiedenen großskaligen Mustern im turbulenten Regime und die Bedeutung der Superstrukturen für den turbulenten Transport, insbesondere den turbulenten Wärmetransport, verstehen. Unsere Untersuchungen basieren auf massiv parallelen dreidimensionalen direkten numerischen Simulationen turbulenter Konvektion in flachen und geschlossenen rechteckigen Zellen. Zur Beantwortung von einigen dieser Fragen ist es notwendig, die sehr große Menge an Freiheitsgraden der Strömung zu reduzieren und vereinfachte effektive Gleichungen abzuleiten, die die langsame und großskalige Dynamik der Superstrukturen beschreiben und feinere Strukturen vernachlässigen. Des weiteren werden wir neu entwickelte mengenorientierte und trajektorien-basierte Lagrangesche Verfahren auf unsere Simulationsdaten anwenden. Diese Methoden sollen die langlebigen kohärenten Strukturen der Turbulenz herausschälen und können entweder im dreidimensionalen physikalischen Raum oder in höher-dimensionalen Phasenräumen angewendet werden. Die Untersuchungen werden zusammen mit Kollegen aus der Theoretischen Physik und der Angewandten Mathematik erfolgen.