Modellieren von Turbulenzen

Wir alle sind täglich von Strö- mungen umgeben, und unser Leben hängt von ihnen ab: Blut strömt durch die Adern unseres Körpers und Luft in unsere Lungen. Mit diversen Transportmitteln bewegen wir uns durch Luft oder Wasser, angetrieben durch flüssigen Kraftstoff, der vermischt mit gasförmigem Sauerstoff in eine Brennkammer strömt. Vielen der aktuellen Energie- und Umweltprobleme ist ohne detaillierte Kenntnis der Strömungsmechanik nicht beizukommen.

Praktisch alle wissenschaftlich und technisch interessanten Strömungen sind turbulent. Ein fundiertes Verständnis dieses Phänomens hilft deshalb bei der Konstruktion windschlüpfigerer Autos oder Verkehrsflugzeuge, wendigerer Kampfjets oder besserer Turbinen ebenso wie bei medizinischen Untersuchungen der Blutströmung im Herzen, insbesondere in der linken Kammer, in der sie besonders schnell ist.

Aber was genau ist Turbulenz? Einige Alltagsbeispiele mögen zur Illustration dienen. Wenn man den Wasserhahn in der Küche nur ein wenig aufdreht, läuft das Wasser in einem ruhigen, spiegelglatten Strahl ab. Eine solche Strömung nennt man laminar. Öffnet man den Hahn jedoch etwas weiter, beginnt der Wasserstrahl sich ungeordnet zu winden und zu schlängeln: Er wird turbulent. Das gleiche Phänomen ist bei dem Rauch zu beobachten, der von einer glimmenden Zigarette in ruhende Umgebungsluft aufsteigt. Unmittelbar oberhalb der Glut ist die Strömung laminar, doch bald darauf, in etwas größerer Höhe, wird sie wellig und zerfließt.

Eine turbulente Strömung besteht aus Kleinwirbeln, sogenannten Eddies. In diesen Bereichen weicht das Fluid, wie man zusammenfassend für Flüssigkeiten und Gase sagt, in seiner Bewegung zufällig – häufig im Zickzack oder rotierend – von der allgemeinen Strömungsrichtung der Umgebung ab. Dieser chaotische Zustand tritt regelmäßig dann auf, wenn die Strömungsgeschwindigkeit ei-ne gewisse Grenze überschreitet; unterhalb dieser kritischen Geschwindigkeit unterdrücken Reibungskräfte die Ausb