Beim Mischen von zwei Flüssigkeiten oder Luftströmungen treten Turbulenzen auf, die die dabei ablaufenden Vorgänge schwer vorhersagbar machen. Jetzt haben Forscher mithilfe neuester Computermodelle das Mischen mit bisher unerreichter Detailtiefe analysiert. Die in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ erschienene Studie bildet eine wichtige Grundlage für Anwendungen aus unterschiedlichsten Fachgebieten.
Das Mischen von Substanzen in verwirbelten turbulenten Strömungen ist ein Vorgang, der uns im Alltag ständig begegnet, ob bei Rauchwolken aus einem Schornstein oder dem Tropfen Sahne im morgendlichen heißen Kaffee. Sehr gut ist dort zu beobachten, wie für kurze Zeiten sehr feine "Sahnewirbel" entstehen.
Einem Wissenschaftlerteam der TU Ilmenau um Prof. Jörg Schumacher und des Weizmann Institute of Science in Rehovot gelang jetzt eine detaillierte Analyse dieser verwirbelten Filamente, die beim turbulenten Mischen entstehen.
In einem gemeinsamen Forschungsprojekt wurden die Daten von Supercomputersimulationen, die das Mischen in einer bisher nicht gekannten Detailliertheit auflösen, mit Methoden analysiert, die in der medizinischen Forschung oder der Robotik bei der Mustererkennung Anwendung finden. Spezielle Algorithmen waren dazu notwendig, da ein einzelner Schnappschuss aus den Computersimulationen immerhin eine Milliarde Pixel beinhaltet.
Die Analyse führte zu neuen Erkenntnissen über die Entstehungsprozesse derartig feiner Filamente. Wie müsste sich der heiße Kaffee in der Tasse bewegen, damit wir die feinen Kaffeesahnestreifen sehen? Wann sehen wir ich nicht? Die Grundlagen für die Antworten auf diese Fragen liefern nun die Ergebnisse dieser interdisziplinären Forschung. Die neuen Modellierungsansätze sind auf viele wichtige Fragestellungen anwendbar, angefangen von turbulenten Verbrennungsprozessen in Motoren und Triebwerken bis hin zum verstärkten Süßwassereintrag in die Ozeane durch das Abschmelzen der Gletschermassive und Eisberge.
(Technische Universität Ilmenau, 28.09.2006 – NPO)
