In „Nature Communications“: Computersimulationen machen turbulentes Mischen berechenbarer

Universität Bayreuth, Pressemitteilung Nr. 074/2022 vom 13.05.2022

Turbulentes Mischen kommt im Alltag öfter vor, als uns bewusst ist: beim Umrühren der Milch im Kaffee, bei der Verteilung des Benzins im Motorzylinder oder beim Aufwirbeln von Staubpartikeln. Ein Forschungsteam um Prof. Dr. Michael Wilczek an der Universität Bayreuth und am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen hat jetzt durch Computersimulationen gezeigt, dass diese Prozesse weniger unberechenbar sind, als es scheint. Im Fokus stehen dabei die Strukturveränderungen, die Substanzen in turbulenten Strömungen durchlaufen. In „Nature Communications“ stellen die Wissenschaftler ihre Forschungsergebnisse vor.

Fällt ein Tropfen Farbe in strömendes Wasser, löst sich seine äußere Form zusehends auf, bis am Ende eine diffuse Farbwolke auf der Wasseroberfläche dahintreibt. Wie sich die feinen inneren Strukturen des Tropfens im Verlauf dieses Prozesses verändern, bleibt dem Auge verborgen. Den Autoren der Studie ist es nun gelungen, die Veränderungen dieser Feinstrukturen in Computersimulationen sichtbar zu machen. Für ihre Untersuchung haben sie als Beispiele möglichst einfache Strukturen ausgewählt: kleine Ringe, die in der Strömungsphysik auch als „Materiallinien“ bezeichnet werden. „Wie die Computersimulationen zeigen, werden diese Ringe in einer turbulenten Strömung stark verformt. Aus jedem einzelnen Ring bildet sich in kürzester Zeit eine hochkomplexe Struktur heraus, die einem Wollknäuel ähnelt. An den Verknotungen innerhalb dieses Knäuels kann man ablesen, wie das turbulente Mischen vonstatten gegangen ist. Sie spiegeln den Verlauf der Mischung exakt wider“, sagt Prof. Dr. Michael Wilczek, Lehrstuhlinhaber für Theoretische Physik an der Universität Bayreuth.

Aufgrund der in den Simulationen gewonnenen Erkenntnisse konnten die Wissenschaftler die geometrischen Eigenschaften der komplexen Knäuel systematisch beschreiben. „Als wir uns die Geometrie der sich verformenden Materiallinien genauer anschauten, fiel sofort auf, dass ihre Krümmung einer klar definierten statistischen Verteilung folgte – und das, obwohl die Linien mit der Zeit immer komplizierter aussahen,“ berichtet der Bayreuther Physik-Doktorand Lukas Bentkamp, der Erstautor der Studie. Das Forschungsteam deckte die Mechanismen der turbulenten Verformung auf und entwickelte so eine mathematische Theorie, aus der sich statistische Gesetzmäßigkeiten entwickeln lassen. „In einem statistischen Sinne konnten wir also in dem turbulenten Durcheinander regelmäßige Abläufe entdecken und erklären“, sagt Bentkamp. Die in Bayreuth und Göttingen erzielten Forschungsergebnisse leisten einen Beitrag auf dem Weg zu einer universal anwendbaren Theorie des turbulenten Mischens und helfen, Mischungsprozesse in der Umwelt in Zukunft besser zu verstehen.

Veröffentlichung:

• Lukas Bentkamp, Theodore D. Drivas, Cristian C. Lalescu and Michael Wilczek
  The statistical geometry of material loops in turbulence
  Nature Communications 13, 2088 (2022)
  DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-022-29422-1
  

Video: Vom einfachen Ring zum komplexen Knäuel:

• https://www.youtube.com/watch?v=1FK2nfswz1c

Grafik zum Download

• Eine Materiallinie wird durch turbulente Strömung stark verformt
  © MPI-DS/UBT, M. Wilczek
  

Prof. Dr. Michael Wilczek
Theoretische Physik I
Universität Bayreuth

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E-Mail: michael.wilczek@uni-bayreuth.de
Web: https://www.wilczek.physik.uni-bayreuth.de

Christian Wißler
Stellv. Pressesprecher, Wissenschaftskommunikation
Universität Bayreuth

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