Max-Planck Turbulenz-Einrichtung
Um Turbulenzen in einem grundlegenden Sinne zu verstehen und Vorhersagen zu treffen, die in realen Anwendungen nützlich sind, muss man nicht nur Turbulenzen bei hohen Reynoldszahlen beobachten, sondern auch Strömungen mit verschiedenen räumlichen und zeitlichen Eigenschaften auf großer Skala realisieren. Diese gut definierten Strömungen müssen mit präzisen Messungen einhergehen. Außerdem muss man in der Lage sein, die Bedingungen auf verschiedene Weise anzupassen, damit Abhängigkeiten aufgedeckt werden können. Die Einrichtungen am MPI DS ermöglichen nicht nur die Erzeugung von Turbulenzen mit den höchsten Reynoldszahlen, die unter Laborbedingungen möglich sind, sondern auch eine noch nie dagewesene Kontrolle. Um unseren Erfolgen bei der Kontrolle turbulenter Strömungen gerecht zu werden, verfügen wir über fortschrittliche Messtechnologien und haben diese sogar an Feldversuche mit natürlichen Strömungen angepasst.
Der Variable Density Turbulence Tunnel (VDTT) [1] ist ein rezirkulierender Druckwindkanal, der aus zwei Messstrecken mit Querschnittsflächen von 1,9 m2 und Längen von 9 m und 7 m besteht. Die maximale Strömungsgeschwindigkeit beträgt etwa 5,5 m/s. Der VDTT zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass er Strömungen mit hoher Reynoldszahl und stabile Betriebsbedingungen erzeugt. Außerdem lässt sich die Reynoldszahl durch Veränderung des Gasdrucks im Tunnel, in der Regel Schwefelhexafluorid (SF6), bis zu einem Druck von 15 bar fein einstellen. In der derzeitigen Konfiguration erzeugt ein aktives Gitter aus 111 einzeln steuerbaren Klappen turbulente Wirbelschleppen von unterschiedlicher Größe und Intensität [2, 3]. Dies beeinflusst letztlich die Homogenität, Isotropie und Intensität der turbulenten Fluktuationen. Mit dem aktiven Gitter können wir Reynoldszahlen von bis zu 6000 erreichen, verglichen mit maximal 1700, wenn ein klassisches Gitter aus gekreuzten Stäben verwendet wird, um turbulente kinetische Energie zuzuführen. Es gibt keine andere Windkanalanlage, die vergleichbare Reynoldszahlen erreichen kann. Darüber hinaus ermöglicht uns das aktive Gitter eine präzise Kontrolle über die Turbulenzerzeugung. Vor kurzem wurde ein stationäres Partikelverfolgungssystem eingeführt und erfolgreich getestet. Damit hat die Anlage die Reynoldszahl der Lagrangeschen Messungen verdreifacht, die der internationalen Turbulenzforschung zur Verfügung stehen. Zu den Schlüsselelementen gehören eine 300-W-Laser-Beleuchtung, ein hauseigener Partikel-Dispergierer und eine schwingungsgedämpfte Plattform mit vier modernen Hochgeschwindigkeitskameras.
Der Prandtl-Kanal ist ein Windkanal mit offenem Kreislauf aus den 1930er Jahren. Der Windkanal ist 11 Meter lang mit einer Messstrecke von 1,2m x 1,5m und einer maximalen Windgeschwindigkeit von 12 m/s. Er kann mit Hitzdrahtanemometern ausgestattet werden und ist dank der großen Messstrecke für eine Vielzahl von Experimenten geeignet. Eine Version des im VDTT implementierten aktiven Gitters ist auch für die flexible Erzeugung von Turbulenzen verfügbar.
Die Hochdruckkonvektionsanlage (HPCF) [4] verwendet einen Mehrzweckdruckbehälter, das sogenannte "U-Boot", der 5,3 m lang ist und einen Durchmesser von 2,5 m hat und mit SF6 bis zu einem Druck von 19 bar gefüllt werden kann. Wir kontrollieren sowohl die Temperatur als auch den Druck im Behälter genau. Im Inneren des Gefäßes befindet sich ein rechteckiges Rayleigh-Bénard-Experiment (RB) mit großem Seitenverhältnis (Höhe 0,7 m, Länge 3,5 m und Breite 0,35 m), das Rayleigh-Zahlen von bis zu 5×1013 erreichen kann. Mit seinen transparenten Seitenwänden ermöglicht das Experiment optische Geschwindigkeitsmessungen bei noch nie dagewesenen großen Rayleigh-Zahlen.
Die "Zigarre" ist ein Allzweck-Druckbehälter mit einer Länge von 4 m und einem Innendurchmesser von 1,5 m. Er kann mit SF6 bis zu einem Druck von 19 bar gefüllt werden, um kleinere Konvektions- oder Turbulenzexperimente durchzuführen oder um Geräte für die anderen Druckanlagen zu testen.
Zwei von Kármán-Mischer erzeugen turbulente Wasserströmungen mit hoher Reynoldszahl zwischen zwei gegenläufig rotierenden Schikanenscheiben. Da die durchschnittliche Verdrängung der Flüssigkeitsteilchen in der Nähe der Mitte der Mischer gegen Null geht, können ihre Bewegungen über einen langen Zeitraum verfolgt werden. Die Mischer haben einen Durchmesser von etwa einem halben Meter, und Rλ kann bis zu 1200 betragen. Große Glasfenster ermöglichen den optischen Zugang für bildgebende Verfahren. Die Apparatur kann zur Untersuchung der Blasendynamik auf reduzierten Druck heruntergepumpt werden. Ein frequenzverdoppelter Nd:YAG-Laser mit hoher Leistung (50 W) und hoher Wiederholrate ist für die Messungen in dieser Apparatur vorgesehen.
Theoretisches Wissen ist am weitesten entwickelt für Turbulenzen, die stationär und isotrop sind. Reale Strömungen sind jedoch beides nicht. Mit drei neuartigen Apparaturen [5, 6] ist es erstmals möglich, den Grad der Anisotropie einer turbulenten Strömung sowohl in Gasen als auch in Wasser zu kontrollieren. Wir erzeugen wolkenähnliche Zustände in einem Fußball.
Die Anlagen nutzen modernste dreidimensionale Lagrangesche Partikelverfolgungstechnologien (LPT), die wir selbst entwickelt haben. Die Technologie beruht auf mehreren Ultrahochgeschwindigkeitskameras, die dieselben Partikel aus verschiedenen Blickwinkeln mit Megapixel-Auflösung und Kilohertz-Bildraten betrachten. Vor kurzem haben wir eine Technik entwickelt, mit der wir die 3D-Wirbelstärke in Wasserströmungen messen können. Außerdem setzen wir ein Dantec-Hot-Wire-System in Verbindung mit nanofabrizierten Hitzedrähten der Princeton University, ein LaVision-Tomographie-Partikel-Image-Velocimetry-System und ein TSI-Laser-Doppler-Velocimetry- und Partikelgrößenmesssystem ein. Alle diese Geräte sind für Drücke bis zu 15 bar geeignet. Einige dieser Techniken erfordern viel Licht, das in der Regel von Nd:YAG-Lasern oder Argon-Ionen-Lasern erzeugt wird. Die Systeme erzeugen Daten mit einer Geschwindigkeit, die Hochleistungsrechner und Speichercluster erforderlich macht.
Die Max-Planck-Turbulenzanlagen (MPTF) stehen Gastforschern offen. Sie wurde beispielsweise im Rahmen des Projekts European High Performance Infrastructures in Turbulence (EuHIT) genutzt. Es zielt darauf ab, modernste europäische Einrichtungen für die Turbulenzforschung über nationale Grenzen hinweg zu integrieren [7, 8].
[1] E. Bodenschatz, G. P. Bewley, H. Nobach, M. Sinhuber, H. Xu, Rev. Sci. Instrum. 85, 093908 (2014)
[2] K. P. Griffin, N. J. Wei, E. Bodenschatz, G. P. Bewley, Exp. Fluids 60, 55 (2019)
[3] C. Küchler, G. Bewley, E. Bodenschatz, J. Stat. Phys. 175, 617 (2019)
[4] G. Ahlers, D. Fünfschilling, E. Bodenschatz, New J. Phys. 11, 123001 (2009)
[5] K. Chang, G. P. Bewley, E. Bodenschatz, J. Fluid Mech. 692, 464-481 (2012)
[6] R. Zimmermann, H. Xu, Y. Gasteuil, M. Bourgoin, R. Volk, J.-F. Pinton, E. Bodenschatz, Rev. Sci. Instrum. 81, 055112 (2010)
[7] http://www.euhit.org
[8] http://www.euhit.org/media/EuHIT_EN.480p.mp4