Resonanzen in schwappenden Fluiden

Schwappender Kaffee ist vielen Menschen als nerviges Alltagsproblem bekannt. Im Ingenieur­bereich kann sich eine solche Dynamik jedoch fatal auswirken. „Schwappender Treibstoff gefährdet beispielsweise die Flug­stabilität von Raketen. Oder der Transport von Flüssiggas in Tankschiffen wird gefährlich, wenn das Schwappen in Resonanz mit der Schiffsbewegung gerät“, sagt Kerstin Avila, Verfahrenstechnikerin im Fachbereich Produktions­technik der Universität Bremen und am Leibniz-Institut für Werkstoff­orientierte Technologien. Gemeinsam mit weiteren europäischen Wissen­schaftlerinnen und Wissenschaftlern hat sie ganz neue Forschung­sergebnisse zu Resonanzen schwappender Wellen­bewegungen vorgelegt.

Vorhersagen hinsichtlich der Resonanz von schwappenden Flüssigkeiten mit anderen Bewegungen waren bisher nur eingeschränkt möglich. In Kooperation mit Theoretikern der ETH Zürich ist es Kerstin Avila und ihrem Team in der experimentellen Strömungs­mechanik nun jedoch gelungen, erstmalig Resonanzen schwappender Wellenbewegungen verlässlich vorherzusagen. Dazu wurden durch die Kombination von abstrakten Theorien, maschinellem Lernen und Experimenten ganz neue Wege in der Forschungs­arbeit beschritten. „Wir haben gezeigt, dass alle benötigen Informationen für die Vorhersage in nur ganz wenigen Messungen enthalten sind, die unser Team durchgeführt hat“, sagt Kerstin Avila. 

Zusammen mit drei Wissen­schaftlern aus Österreich, Polen und Frankreich zeigte Avila in einer weiteren Untersuchung, dass sich die Ausbreitung von Turbulenzen sehr einfachen Gesetz­mäßigkeiten unterwirft. „Diese Gesetz­mäßigkeiten gelten dabei nicht speziell für Fluide, sondern beschreiben in erster Näherung beispielsweise auch die Ausbreitung eines Virus durch die Bevölkerung oder eines Waldbrandes“, sagt Avila. „Im Kern steckt hinter dieser Ausbreitungs­dynamik die Theorie der direkten Perkolation, die in vielen Wissenschafts­gebieten genutzt wird, um Phänomene zu erklären.“ 

Bisher wurden die vorher­gesagten Zahlen, die bei einer Virus­ausbreitung beispiels­weise letztlich nur auf hochgerechneten Daten basieren, noch nie tatsächlich exakt in der Natur oder einem räumlich ausge­dehnten Experiment beobachtet. Genau dies ist den Bremer Forschenden jetzt nach jahrelanger Forschung mit einem Strömungs­experiment gelungen. „Für die Bestätigung der Theorie und für die Beschreibung des Turbulenz­übergangs stellt das einen echten Meilenstein dar“, sagt Avila. Daneben erforscht Kerstin Avila als Teil der inter­disziplinären Forschungs­gruppe FOR 2688 – Ingenieurs­wissenschaft, Physik, Medizin – die Bewegung von Partikeln in Rohrströmungen mit einem pulsierenden Massenstrom. Das von der Deutschen Forschungs­gemeinschaft geförderte Projekt hat das Ziel, die strömungs­dynamischen Aspekte der Blutströmung besser zu verstehen.

U. Bremen / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichungen
  M. Cenedese et al.: Data-driven modeling and prediction of non-linearizable dynamics via spectral submanifolds, Nat. Commun. 13, 872 (2022); DOI: 10.1038/s41467-022-28518-y
• L. Klotz et al.: Phase Transition to Turbulence in Spatially Extended Shear Flows, Phys. Rev. Lett. 128, 014502 (2022); DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.014502
• Experimentelle Strömungsmechanik (K. Avila), Fachgebiet Mechanische Verfahrenstechnik, Universität Bremen