Untersuchung von komplexen Wirbelströmungen mit newtonschem Fluid und Ferrofluiden im Taylor-Couette System

Abstract

Mittels numerischer Simulationen wurden u.a. Bifurkationsverhalten, nichtlineare Dynamik, Stabilität, strukturelle Eigenschaften und das raumzeitliche Verhalten verschiedener Strömungszustände von newtonschen Flüssigkeiten bzw. von Ferrofluiden im Taylor-Couette System untersucht. Insbesondere wurde der Fragestellung nachgegangen, wie sich der Übergang zwischen topologisch unterschiedlichen Strukturen, wie toroidal geschlossenen Taylor Wirbeln und offenen, helikalen Spiral Wirbeln, vollzieht. Es konnte nachgewiesen werden, dass dieser Übergang über spezielle, sekundär bifurkierende Wirbelstrukturen, die toroidal geschlossenen Wavy Taylor Wirbel und die helikalen Wavy Spiral Wirbel, abläuft. Darüber hinaus wurde eine bislang unbekannte Form eines Übergangs zwischen SPI Lösungen unterschiedlicher Ganghöhe untersucht. Dabei treten sogenannte Mixed-Cross-Spirals auf, die als stabileZwischenzustände existieren.

Bifurcation behavior, non-linear dynamics, stability, structural properties, and spatio-temporal behavior of different flow states of Newtonian fluids as well as of ferrofluids in the Taylor-Couette system are investigated by numerical simulations of the Navier-Stokes equations. In particular, the transition between topologically different structures is examined, i.e. between the toroidally closed Taylor vortices and the open, helical spirals. These transitions are mediated by specific, secundarily bifurcating wavy structures, namely the toroidally closed wavy Taylor vortices and the helical wavy spiral vortices. Furthermore, a new kind of transitions between spiral states with different pitches accompanied by so-called mixed-cross-spirals as stable intermediate states was investigated.