Publikationen

Die vorliegende Zusammenfassung wissenschaftlicher Veröffentlichungen stellt mehrere theoretische und numerische Untersuchungen von Instabilitäten und komplexer nichtlinearer Dynamik in Strömungen vor. Die Zusammenfassung schildert vorwiegend die Motivation für die verschiedenen Arbeiten sowie die grundlegende Physik der betrachteten Strömungen. Hauptergebnisse werden auch angegeben. Einzelheiten zu den mathematischen Modellen und numerischen Methoden finden sich in den Veröffentlichungen. Der Eigenanteil des Autors an den verschiedenen Veröffentlichungen ist in einem separaten Anhang ausgewiesen. Bei den betrachteten Strömungen handelt es sich um thermische Konvektion in Ein- und Zwei-Schicht-Systemen nichtmischbarer Fluide, Zweiphasen-Scherschichten und Kanalströmungen elektrisch leitfähiger Flüssigkeiten in einem äußeren Magnetfeld. Diese Konfigurationen sind durch eine Reihe von Anwendungen motiviert, z.B. Wärme- und Stoffübergang an fluiden Grenzflächen bei verfahrenstechnischen Prozessen, Zerstäubung von Flüssigkeiten für die Verbrennung oder elektromagnetische Pumpen und Bremsen für die Materialverarbeitung in der Metallurgie. Die Komplexität der realen Anwendungen wurde beträchtlich reduziert, um fundamentale Mechanismen und Eigenschaften solcher Strömungen zu untersuchen. Die erreichte geometrische und konzeptionelle Einfachheit ist zweckmäßig für die numerischen Untersuchungen, weil man dadurch spezialisierte, aber sehr effiziente numerische Methoden einsetzen kann. Die Ergebnisse solcher Untersuchungen können das physikalische Verständnis der Strömungen verbessern und zur Validierung von allgemeineren numerischen Verfahren dienen. Thermische Konvektion wurde in mehreren Anordnungen betrachtet. Die erste ist oberflächenspannungsgetriebene (thermokapillare) Konvektion in einer einzelnen Flüssigkeitsschicht, für die die Strömungsstruktur und das Skalierungsverhalten des Wärmestroms mit zwei- und dreidimensionalen Simulationen untersucht wurden. Die zweite Anordnung ist ein System aus zwei Schichten mit Heizung von unten bzw. von oben und verschiedenen Kombinationen von nicht mischbaren Flüssigkeiten. Zwei verschiedene Zwei-Schicht-Systeme wurden mit dreidimensionalen, nichtlinearen Simulationen untersucht, wobei der Schwerpunkt auf den Veränderungen der Konvektionsmuster bei Variation der Stärke des thermischen Antriebs lag. Auf dem Gebiet der Zweiphasen-Scherschichten wurden zwei lineare Stabilitätsuntersuchungen auf der Grundlage der gekoppelten Rayleigh/Orr-Sommerfeld-Gleichungen durchgeführt, sowie eine Verifikation des nichtlinearen SURFER Codes mit Hilfe der linearen Stabilitätsresultate aus den Orr-Sommerfeld-Gleichungen. Das Neue an diesen Arbeiten ist der direkte Vergleich der Resultate für den reibungsfreien Fall und den Fall endlicher Zähigkeit bei Grundströmungen mit gleicher Struktur, und die Identifikation eines spezifischen, zähigkeitsbedingten Instabilitätsmechanismus im Parameterbereich von Zerstäubungsexperimenten mit Luft und Wasser. Auf dem Gebiet der Kanalströmungen leitfähiger Flüssigkeiten war der Autor an numerischen Untersuchungen des Turbulenzübergangs und der Turbulenz beteiligt. Für ein Magnetfeld in Spannweitenrichtung wurde ein nichtlinearer Mechanismus für den Turbulenzübergang bei subkritischer Reynoldszahl analysiert. Außerdem wurden die Eigenschaften der Turbulenz sowohl für ein Magnetfeld senkrecht zur Kanalwand als auch mit Magnetfeld in Spannweitenrichtung mittels numerischer Simulationen bestimmt.