Mikroskala von Kolmogorow

Mikroskala von Kolmogorow

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Die Mikroskala von Kolmogorow ist die kleinste Skala bei der Betrachtung der Energiekaskade einer turbulenten Strömung.

Nach Richardson zerlegt man das Spektrum der turbulenten Strömung in drei Wellenlängenbereiche:

Kolmogorow fand 1941 nicht nur eine universelle Formel für die spektrale Dichte im Inertialbereich, das sogenannte 5/3-Gesetz:

$ P(k)\sim k^{-5/3} $

sondern beschrieb auch den als Mikroskala von Kolmogorow bezeichneten Dissipationsbereich, der nur vom Mittelwert $ \epsilon $ der Dissipationsrate pro Masseneinheit und von der kinematischen Viskosität $ \nu $ des Fluids abhängt:[1]

Kolmogorov-Längenskala $ \eta =\left({\frac {\nu ^{3}}{\epsilon }}\right)^{1/4} $
Kolmogorov-Zeitskala $ \tau _{\eta }=\left({\frac {\nu }{\epsilon }}\right)^{1/2} $
Kolmogorov-Geschwindigkeitsskala $ u_{\eta }=\left(\nu \epsilon \right)^{1/4} $

In seiner Theorie geht Kolmogorow davon aus, dass die Längenskala für jede turbulente Strömung gleich ist, also nur von $ \epsilon $ und $ \nu $ abhängt. Die Definition der Skala kann man mit Hilfe dieser Voraussetzung und einer Dimensionsanalyse erhalten. Da die Dimension der kinematischen Viskosität Länge2/Zeit ist und die Dimension der Dissipationsrate pro Masseneinheit Länge2/Zeit3, erhält man als Kombination, um die Dimension der Zeit zu erhalten, die Beziehung $ \tau _{\eta }=(\nu /\epsilon )^{1/2} $.

Wegen der Annahme einer konstanten mittleren Dissipationsrate handelt es sich bei seinem Ansatz um eine Molekularfeldnäherung.

Quellen

  • M.T. Landahl, E. Mollo-Christensen: Turbulence and Random Processes in Fluid Mechanics, Cambridge, 2. Ausgabe, 1992.

Einzelnachweise

  1. Uwe Schimpf: Fourieranalyse mikroskaliger Temperaturfluktuationen der Wasseroberfläche. (html) Diplomarbeit an der Uni Heidelberg. Mai 1996, abgerufen am 5. Dezember 2010.