Unsere Forschungsschwerpunkte
- Dynamik (wandnaher) turbulenter Strömungen
- Fluidmechanik mehrphasiger Strömungen
- Direkte numerische Simulation und Grobstruktursimulation
- Maßgeschneiderte numerische Verfahren
- Datenanalyse und physikalische Modellierung
Aufgrund des breiten Spektrums der Längen- und Zeitskalen in turbulenten Strömungen, stellen Direktsimulationen (DNS) extrem hohe Anforderungen an die Rechenleistung, sowohl in der eigentlichen Simualtionsphase als auch bei der Datenanalyse. Eine besondere Bedeutung kommt daher der Effizienz der Numerik auf massiv parallelen Rechnersystemen zu.
Particles in unbounded flows
The interaction between a fluid medium and suspended solid particles is a highly intriguing dynamical process which is at play in many natural and technical systems. Predicting the particle motion and its feed-back upon the fluid flow has been a challenge for engineers and scientists alike for a long time. Particulate flow phenomena include the emergence of heterogeneous spatial distributions of the disperse phase, with important practical consequences: how fast does a particle collective settle uner gravity? How does turbulence affect the inter-particle collision frequency? How does the presence of particles impact the turbulence characteristics?
Modern experimental techniques and high-fidelity numerical simulations are able to provide data at unprecedented resolution. Based upon this information we are attempting to unravel some of the long-standing open questions in the field. Below you can find a short list of related publications from our work.
[1] A. Chouippe and M. Uhlmann. On the influence of forced homogeneous-isotropic turbulence on the settling and clustering of finite-size particles. Acta Mechanica, 230:387--412, 2019 [DOI]
[2] M. Uhlmann and A. Chouippe. Clustering and preferential concentration of finite-size particles in forced homogeneous-isotropic turbulence. J. Fluid Mech., 812:991--1023, 2017 [DOI]
DNS von Fluid-Partikel Systemen
Von technologischer Bedeutung ist die Fragestellung nach der Interaktion zwischen turbulenter Fluidströmung und festen Partikeln, mit weitreichenden Anwendungen etwa in der Hydrologie, Meteorologie, Verfahrens- und Energietechnik. Wir untersuchen Fluid-Partikel Systeme mittels Direktsimulation, wobei die Phasengrenzen durch das Gitter aufgelöst werden. Ziel ist es, Prozesse wie die Bildung von Partikelagglomerationen und Anfachung/Dämpfung der Turbulenzintensität zu analysieren und darauf aufbauend, Verbesserungen der gängigen Eulerschen bzw. Lagrangeschen Modelle vorzuschlagen. Neben dem Fall von Suspensionen im vertikalen Kanal analysieren wir u.a. den Mechanismus der Erosion von Sedimentpartikeln
Dynamik kohärenter Strukturen
Ein Verständnis der fundamentalen dynamischen Prozesse in turbulenten Strömungen kann dazu beitragen, Skalierungsgesetze zu formulieren und Empfehlungen für Anwendungen zu erstellen (z.B. Regenerationsmechanismus wandnaher Strukturen -> Grenzschichtkontrolle). Wir untersuchen u.a. die Rolle kohärenter Strukturen bei der Ausbildung der Sekundärströmung in einem Kanal mit rechteckigem Querschnitt.
Ein weiteres Thema ist die Analyse turbulenter Strömungen mit Dichtegradienten, welche insbesondere für Geophysikalische Anwendungen von Bedeutung sind (Ozeanströmungen). Bei stabiler Schichtung kommt es zu einem Wettbewerb zwischen dämpfenden Auftriebseffekten und der Instabilität der Scherströmung.
LES komplexer Strömungen
Die Methode der Grobstruktursimulation (LES) ist sehr gut zur Berechnung von turbulenten Strömungen geeignet, bei denen aufgrund der Komplexität keine Direktsimulation möglich ist. Dies gilt insbesondere für Fälle mit instationärer Ablösung, in denen statistische Modelle typischerweise keine präzisen Vorhersagen liefern.
