Aus dem Forschungszentrum

In Jülich die Ordnung im Chaos entdeckt
Von Redaktion [23.07.2014, 09.12 Uhr]

Momentaufnahmen der Scherschichten in Schnittebenen durch die drei turbulenten Strömungen

Momentaufnahmen der Scherschichten in Schnittebenen durch die drei turbulenten Strömungen

Turbulenzen gelten als eines der hartnäckigsten Probleme der klassischen Physik. Dabei ist das Phänomen im Alltag allgegenwärtig: Tornados, Wasserwirbel, Düsentriebwerke oder einfach nur das Auflösen von Milch im Kaffee sind dafür bekannte Beispiele. Mithilfe von Simulationen auf dem Jülicher Superrechner JUQUEEN hat ein internationales Wissenschaftlerteam eine Gesetzmäßigkeit gefunden. Dennoch bleibt das Rätsel Turbulenz nach wie vor ungelöst.

Turbulenzen setzen sich aus Wirbeln zusammen. Im Laufe der Zeit – so viel ist bekannt – zerfallen sie in immer kleinere Wirbel, bis die Bewegungsenergie am Ende einer Abwärtskaskade durch Reibung in Wärme umgewandelt wird. Statt auf die Wirbel selbst zu schauen, konzentrierte sich das Team um Prof. Jörg Schumacher von der Technischen Universität Ilmenau auf sehr feine Scherschichten zwischen den Wirbeln. Im direkten Vergleich dreier turbulenter Strömungen stellten sie stets die gleichen statistischen Gesetze für die Fluktuationen eben dieser feinen Scherschichten fest.

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Der Ansatz zeigt einen neuen Weg auf, die mehr als 70 Jahre alte Kolmogorov-Hypothese zu bestätigen. Demnach folgt das scheinbar zufällige Auftreten der größeren und kleineren Wirbel immer den gleichen statistischen Gesetzen, wenn man nur hinreichend viele von ihnen im unteren Bereich einer ausgedehnten Wirbelkaskade betrachtet. Seither haben Heerscharen von Strömungsforschern versucht, immer stärkere Turbulenzen zu studieren. Doch die Leistung heutiger Superrechner reicht nicht aus, um einen derart weit ausgedehnten Kaskadenbereich zu berechnen, wie er für die Bestätigung der Hypothese notwendig wäre.

Die in der Fachzeitschrift PNAS veröffentlichten Ergebnisse zeigen dagegen, dass sich dieses wesentliche Merkmal von Turbulenzen bereits heute entschlüsseln lässt, wenn man auf die richtigen physikalischen Größen – die Scherschichten – schaut. In einem Großprojekt des nationalen Gauss Centre for Supercomputing (GCS) ließen die Wissenschaftler ihr massiv paralleles Turbulenzsimulationsprogramm auf mehr als 65.000 Prozessoren des Superrechners JUQUEEN laufen. Ein einzelner PC mit einem Prozessorkern hätte für die gleiche Rechnung seit der Jungsteinzeit, das heißt seit rund 6.000 Jahren, ununterbrochen arbeiten müssen.


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