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Particle-resolved study of the onset of turbulence

Joshi, Eshita und Thoma, Markus H. und Schwabe, Mierk (2024) Particle-resolved study of the onset of turbulence. Physical Review Research, 6, L012013. American Physical Society. doi: 10.1103/PhysRevResearch.6.L012013. ISSN 2643-1564.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
640kB

Offizielle URL: https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.6.L012013

Kurzfassung

The transition from laminar to turbulent flow is an immensely important topic that is still being studied. Here we show that complex plasmas, i.e., microparticles immersed in a low temperature plasma, make it possible to study the particle-resolved onset of turbulence under the influence of damping, a feat not possible with conventional systems. We performed three-dimensional (3D) molecular dynamics (MD) simulations of complex plasmas flowing past an obstacle and observed 3D turbulence in the wake and fore-wake region of this obstacle. We found that we could reliably trigger the onset of turbulence by changing key parameters such as the flow speed and particle charge, which can be controlled in experiments, and show that the transition to turbulence follows the conventional pathway involving the intermittent emergence of turbulent puffs. The power spectra for fully developed turbulence in our simulations followed the -5/3 power law of Kolmogorovian turbulence in both time and space. We demonstrate that turbulence in simulations with damping occurs after the formation of shock fronts, such as bow shocks and Mach cones. By reducing the strength of damping in the simulations, we could trigger a transition to turbulence in an undamped system. This work opens the pathway to detailed experimental and simulation studies of the onset of turbulence on the level of the carriers of the turbulent interactions, i.e., the microparticles.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/202219/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Zusätzliche Informationen:We acknowledge funding of this work in the framework of the Nachwuchsgruppenprogramm im DLR Geschäftsbereich Raumfahrt.
Titel:Particle-resolved study of the onset of turbulence
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Joshi, Eshitaeshita.joshi (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Thoma, Markus H.Justus-Liebig-Universität Gießen, Gießen, Germanyhttps://orcid.org/0000-0002-8816-9120NICHT SPEZIFIZIERT
Schwabe, MierkDLR, IPAhttps://orcid.org/0000-0001-6565-5890NICHT SPEZIFIZIERT
Datum:18 Januar 2024
Erschienen in:Physical Review Research
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Ja
In SCOPUS:Nein
In ISI Web of Science:Ja
Band:6
DOI:10.1103/PhysRevResearch.6.L012013
Seitenbereich:L012013
Verlag:American Physical Society
ISSN:2643-1564
Status:veröffentlicht
Stichwörter:onset of turbulence, particle-resolved turbulence, molecular-dynamics simulations
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Raumfahrt
HGF - Programmthema:keine Zuordnung
DLR - Schwerpunkt:Raumfahrt
DLR - Forschungsgebiet:R - keine Zuordnung
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):R - keine Zuordnung
Standort: Oberpfaffenhofen
Institute & Einrichtungen:Institut für Materialphysik im Weltraum
Institut für Physik der Atmosphäre > Erdsystemmodell -Evaluation und -Analyse
Hinterlegt von: Schwabe, Dr. Mierk
Hinterlegt am:22 Jan 2024 07:42
Letzte Änderung:22 Jan 2024 07:42

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