Forschung
Identification of transport-dominated large-scale structures in turbulent wall-bounded flows using a Characteristic DMD
Funded by DFG - Priority Program 1881
Coherent structures in turbulent flows are known as organized motions possessing spatial and temporal coherence, having a prominent contribution to the turbulent kinetic energy and mass and momentum diffusion. Therefore, they come with large desirable or undesirable effects in the flow, such as better mixture or more drag. Despite large number of studies carried out in the last decade to understand their physical properties, there is still limited consensus in the scientific community on how to define these structures, what they physically look like, how long they live and how their length scales depend on Reynolds numbers. On the other hand, uncertainties like what they feed on, how their regeneration mechanism works and how they interact with each other, as well as with near wall turbulence, are yet to be unraveled. The main objective of this study is to extract low dimensional subspaces out of highly complex turbulent flow fields, which meet our intuitive understanding of large coherent structures. In particular the structures living in these subspaces shall have a long lifetime, live on large scales and travel with a certain group velocity. To this end, a temporal sequence of state vectors from DNS and time-resolved measurements, will be transformed such that we find persistent dynamical modes on a hypersurface traveling along its normal in space and time on a moving frame of reference. The transformation is in form of a rotation in space and time. A Dynamic Mode Decomposition (DMD) will be carried out on the transformed data to capture the modes possessing small decay or growth rates. Reconstruction of the candidate modes along the normal to the hypersurface and transforming them back to physical space gives the low rank model of the flow. The algorithm which is known as Characteristic DMD (CDMD, Sesterhenn & Shahirpour 2019), will be next applied to the residual of the flow field looking for the next largest group velocity. This gives a hierarchy of structures. In practical terms, we aim to separate large coherent structures, coherent structures, and an uncoherent remaining rest. The method will be applied to two canonical turbulent flows. The resulting structures will be tested against physical evidence, by verifying that the footprints of large-scale coherent structures in premultiplied energy spectra can be reproduced by them. Each group of structures will be studied separately in terms of their lifetimes, spatiotemporal evolution, length scales and turbulent properties. Ansprechpartner: Amir Shahirpour, Jörn Sesterhenn
Turbulenter Strahl
In der Natur und in vielen industriellen Anwendungen findet man Strahlen, die mit turbulenten Umgebungen interagieren: Kraftstoffeinspritzung und Elektrolackierung in der Automobilindustrie, Düsen- und Raketentriebwerke in der Luft- und Raumfahrtindustrie, aber auch in hydraulischen und pneumatischen Systemen sowie bei Vulkanausbrüchen oder Sternstrahlausströmungen in der Astrophysik. Unabhängig davon sind isotrope Turbulenz und turbulente Jets bereits intensiv untersucht worden (mit einer bedeutenden Anzahl von Beiträgen mit numerischem Ansatz), aber die Wechselwirkung zwischen einem kompressiblen turbulenten Jet und kompressibler isotroper Turbulenz ist noch weitgehend unerforscht. Die technische Entwicklung von Supercomputing-Zentren erlaubt es seit den letzten Jahrzehnten, die Wechselwirkung beider Probleme mit einem massiven parallelen numerischen Code für einen vernünftigen Satz von Parametern zu simulieren.Wir wollen wissen, ob und wie ein turbulenter Strahl ein signifikantes Niveau von Turbulenz in der Umgebung aufrechterhalten kann, wenn kein anderer Energieeintrag vorhanden ist. Zwei Forschungsgruppen aus verschiedenen Fakultäten der Technischen Universität Berlin werden sich zusammenschließen, um dieses komplexe, aber interessante Problem zu untersuchen: (i) Müllers Gruppe wird ihre Expertise in der Statistik magnetohydrodynamischer Turbulenz nutzen, um die grundlegenden Eigenschaften der Turbulenz zu analysieren und die numerischen Simulationen der magnetohydrodynamischen Turbulenz durchzuführen, und (ii) Sesterhenns Gruppe wird das Know-How kompressibler Strömungen einbringen und eine geeignete Zerlegung der Strömung nutzen, um den Effekt der turbulenten Umgebung auf die Jet-Dynamik zu analysieren. Die Kenntnis der Mechanismen, die eine turbulente Umgebung aufrechterhalten, die durch einen turbulenten Strahl induziert wird, ist einerseits ein sehr wichtiger Schritt für die wissenschaftliche Gemeinschaft in einer Vielzahl von Disziplinen und kann andererseits zur Optimierung der industriellen Anwendungen eingesetzt werden, in denen diese beiden Elemente vorhanden sind: z.B. wie man den Kraftstoff in einen Automotor einspritzt, um die Vermischung und den Verbrennungsprozess zu optimieren. Die Antragsteller erwarten, dass dieses Kooperationsprojekt der erste Stein einer fruchtbaren langfristigen Beziehung ist, die beide Gruppen auf den neuesten Stand der Technik in diesem Forschungsthema bringt.
Ansprechpartner: Gabriele Camerlengo, Jörn Sesterhenn