Wellen in Strömungen
Stand 6.1.2024
Zusammenfassung
Wellenstrukturen entstehen infolge von Strömung in allen fluiden Systemen.
Benardzellen und thermische Drehstrukturen entstehen durch den Wärmetransport in allen Himmelskörpern und verursachen den Vulkanismus.
1. Benardzellen
Benardzellen entstehen beim konvektiven Wärmetransport zwischen zwei Platten unterschiedlicher Temperatur. Sie sind in der Regel 6-eckig, von gleicher Größe und treten gruppenweise auf. Das warme Medium strömt an den Kanten der Zellen aufwärts und das kalte Medium in der Mitte der Zellen abwärts.
Es gibt eine Vielzahl von Experimenten mit den verschiedensten Flüssigkeiten wie Öle, Wasser, Quecksilber, flüssiges Natrium.
Auch In der Natur findet man Benardzellen:
- Vulkane
• Basaltsäulen
• Stratokumuli
• rollenförmige Wolkenstrukturen (werden den Benardzellen zugeordnet)
• Granulen auf der Sonnenoberfläche
• Spannungsrisse bei trockenem Schlamm
• Strukturen auf der Oberfläche von Dauerfrostboden
Benardzellen sind Wellenstrukturen, wie aus Tabellen 1, 2 und 3 zu ersehen ist. Sie werden durch Temperaturunterschiede verursacht. Das unterscheidet sie von axialen Drehstrukturen in rotierenden Systemen, deren Ursache die Rotation ist.
Tabelle 1 Benardzellen
Tabelle 2 Granulen auf der Sonne (5):
Tabelle 3 Messwerte aus Experimenten
Die Existenz von Benardzellen ist nicht an einen Größenmaßstab gebunden (Tabelle 2 und Tabelle 3). Es scheint eine Abhängigkeit des Durchmessers von der Schichtdicke zu geben (Tabelle 4):
Tabelle 4
2. Irreguläre Benardzellen - Übergangsstrukturen
Die Stabilität von Benardzellen wird durch die Rayleigh-Zahl bestimmt.
Die kritischen Ra-Zahlen, bei denen die Benardzellen instabil werden, unterscheiden sich bei verschiedenen Autoren. Folgende Angaben sind aus (7) entnommen:
- Ra=7*10^3 Beginn der Konvektion
- Ra=7...8*10^3 stabile Zellen Ra>10^4 Übergang zur Turbulenz
- Ra>6*10^4 voll ausgebildete Turbulenz
Beim Übergang zur Turbulenz vergrößern sich die Zellen, verlieren ihre gleichmäßige Struktur und treten häufig in unterschiedlichen Größen auf.
Die Vergrößerung der Zellen ist mit einer Periodenverdoppelung verbunden (4). Jäger (2) fand: "bei höheren Füllhöhen ergeben sich beim allmählichen Erwärmen der Petrischalen zunächst mehrere, ungeordnete, kleine Zellen. Die größeren dieser Zellen werden auf Kosten der kleineren immer größer. Ist die Füllhöhe hoch genug, dass sich eine Monozelle ausbilden kann, wird eine der Zellen immer größer, und zehrt die anderen allmählich auf".
Die gleichen Ergebnisse sind in (7) zu finden: "Erhöht man die Rayleigh-Zahl weiter, dann treten ungeordnete Bewegungen in der Schicht auf."
Diese Beobachtung stimmt mit Beobachtungen an Sonnenflecken überein: "Sonnenflecken treten meistens in Gruppen auf, beginnen aber als kleine Einzelflecken aus der Vereinigung mehrerer Konvektionszellen (Granulen)"(6).
3. Thermische Drehstrukturen
Thermische Drehstrukturen sind Benardzellen mit Drehung. Im Unterschied zu den regulären Benardzellen treten sie in der Regel einzeln auf:
- große Wirbelstürme (Hurrikane, Taifune...)
- Tornados
- Windteufel
- Vulkane
- großflächige Wirbel in Meeresströmungen
- Flecken auf der Oberfläche des Jupiters
- Sonnenflecken
- Granulen auf der Sonne
Wirbelstürme entstehen über warmen Meeresgebieten überwiegend im Bereich der Tropen. Sie erreichen flächenmäßig sehr große Ausmaße.
Tornados bilden sich über der festen Erdoberfläche, wenn kalte Luft am Boden sich unter höher liegende Warmluft schiebt. Weil der Wärmetransport von kalt nach warm erfolgen muss, kehrt sich die Strömungsrichtung gegenüber Wirbelstürmen um. Die Warmluft strömt am Rand des Tornados nach unten; und in der Mitte noch oben, wobei sich der Saugrüssel bildet, der von der Wolke bis zum Erdboden wachsen kann. Die in Tornados beobachtete Turbulenz ist eine Folge der Rotation der Drehstruktur.
Tabelle 6 zeigt, dass Wirbelstürme und Tornados Wellenstrukturen sind, denn ihre Maße erfüllen das Wellengesetz.
Tabelle 5
Mondvulkane
Der Mond der Erde hat keine Eigenrotation. Er hat wahrscheinlich schon sehr lange keine Rotation, denn sonst müssten sich noch Reste von Wellenstrukturen, wie sie die Erde hat, auf seiner Oberfläche finden lassen. Seine Oberfläche weist aber zahlreiche kreisförmige Strukturen auf, die ehemalige Vulkane sind und deren Durchmesser dem Wellengesetz gehorchen (Tabelle 6). Die ideale Kreisform beweist, dass es sich um thermische Drehstrukturen handelt. Für die Drehung gibt es aber keine äußeren Ursachen wie Turbulenz.
Die Drehung gehört zur Benardstruktur und entsteht bei der Vervielfachung der Frequenz in der ursprünglichen Benardzelle.
(siehe Punkt 4, neue Versuche)
Als Ursache für die Entstehung der Drehung wurde bisher die Corioliskraft angesehen. Besonders bemerkenswert ist aber, dass die radialen Drehstrukturen auf dem Mond dem Wellenlängengesetz folgen, obwohl der Mond keine eigene Rotation hat. Es bestätigt sich nochmals, dass für die Herausbildung von radialen Drehstrukturen eine Strömung genügt.
Das Wellengesetz gilt offensichtlich im gesamten Kosmos unabhängig davon, ob die Teilsysteme sich drehen. Für die Entstehung von Wellenstrukturen ist eine Strömung in einem fluiden System ausreichend.
Tabelle 6
Drehstrukturen gibt es auch im Golfstrom infolge des Temperaturunterschiedes zwischen der Meeresoberfläche und der Tiefsee (Tabelle 7/8).
Tabelle 7 Strukturen in Meeresströmungen (9)
4. Neue Versuche
Um die Strukturen in Benardzellen sichtbar zu machen, wurde ein Glasgefäß in ein temperiertes Wasserbad gestellt. Während der Aufheizung wurden im Gefäß Drehstrukturen sichtbar. Die Versuchsanordnung hat zwei Schwächen:
· Es konnte kein stationärer Zustand erreicht werden.
·Die Reibung an der Wand des Gefäßes hat Einfluss.
Aus diesen Gründen waren quantitative Ergebnisse nicht möglich. Qualitative Ergebnisse waren:
Aus diesen Gründen waren quantitative Ergebnisse nicht möglich. Qualitative Ergebnisse waren:
- Es gibt in den Zellen veränderliche Strukturen.
- Die Zellen können eine Rotation aufweisen, die nicht durch äußere Einflüsse verursacht wird.
Bild 1 Benardzellen - erste zwei Bilder: Seitenansicht
5. Wellenstrukturen und Strömung
Wellenstrukturen entstehen infolge von Strömung in allen fluiden Systemen.
Wir wollen die ungestörte Strömung als einen Bewegungszustand definieren, der nur von Wellenstrukturen dominiert ist. Ungestörte Strömungen finden innerhalb oder zwischen den Wellenstrukturen statt und sind reibungsfrei.
Ungestörte Strömungen sind auf allen Himmelskörpern zu finden, die gasförmig und ohne Störkörper sind. Die Strömung auf der Sonne ist möglicherweise ungestört.
Störungen entstehen an festen Oberflächen infolge der dort stattfindenden Reibung.
In technischen Systemen ist eine Strömung immer mit Reibung an festen Wänden verbunden. Wellenstrukturen sind nachweislich vorhanden z.B. Taylorwirbel. Für diese Strukturen gilt das Wellengesetz, wobei die bestimmende Größe "D" im Wellenlängengesetz durch Konstruktion festgelegt ist. Es gilt das technische Wellengesetz.
Bei der Umströmung eines Körpers entsteht in seiner Umgebung ein äußerer Wellenraum, der sich als Wirbel bei der Umströmung von Festkörpern beobachten lässt. Er erstreckt sich in der umgebenden Strömung soweit ein Einfluss der Reibung der Oberfläche des Körpers auf die Strömung vorhanden ist. Der äußere Wellenraum wird von der Strömung verformt, mitgeführt und bildet eine Wirbelstraße.
Außerhalb des äußeren Wellenraums des Körpers gilt das kosmische Wellengesetz.
Taylorwirbel sind periodische Wellenstrukturen, die in Drehzylinderapparaten zu beobachten sind. (Bild 2). In Drehzylinderapparaten hat man den Übergang von der laminaren Strömung zur Turbulenz schrittweise verfolgen (Bild 2):
· 1: Wellenstrukturen (Taylorwirbel) mit klaren Grenzen
· 2 und 3: Auf dem Rand der Wirbel sind bei Erhöhung der Drehfrequenz sinusförmige Wellenelemente zu sehen,
· 4: die auch bei höheren Drehzahlen noch als Wellenelemente noch zu erkennen sind.
· 2 und 3: Auf dem Rand der Wirbel sind bei Erhöhung der Drehfrequenz sinusförmige Wellenelemente zu sehen,
· 4: die auch bei höheren Drehzahlen noch als Wellenelemente noch zu erkennen sind.
Zu ähnlichen Ergebnissen kamen frühere Autoren (10/11 u.a.). Sie haben beobachtet, das mit der Erhöhung der Drehfrequenz die Wellenstrukturen (in Übereinstimmung mit dem Wellenlängengesetz) zunehmend kleiner werden. Durch Ausmessen der Wellenlängen hätte man schon damals das Wellengesetz aus diesen Ergebnissen ableiten können, denn die Bezeichnung Wellen und periodic flow wurden, auch bereits von Taylor, verwendet.
Man kann die Drehfrequenz solange steigern, bis die Wellenstrukturen nur schwer zu erkennen sind und den Eindruck einer ungeordneten Strömung - Turbulenz - vortäuschen. Solange aber Wellenelemente noch vorhanden sind, gibt es Ordnung. Wenn man unter Turbulenz einen chaotischen, völlig ungeordneten Zustand versteht, gibt es wahrscheinlich keine Turbulenz.
Das Wellenlängengesetz erlaubt nur die Verkleinerung oder die Vergrößerung der Wellenlängen. Eine Grenze für die Verkleinerung der Wellenlängen ist aus dem Wellengesetz nicht zu ersehen. Es ist die universelle Ordnungsmacht, die Chaos und Unordnung verhindert.
Bild 2 Übergang von Laminarer Strömung zur Turbulenz in Drehzylinderapparaten
6. Wellenstrukturen in freien Strömungen
In jedem strömenden Medium entstehen Wellenstrukturen, Sie sind häufig zu beobachten, wenn Feststoffteilchen von Wasser- oder Luftströmungen aufgewirbelt werden:
- Sand-und Schneedünen
- Strandrippel
( Siehe auch :Wellenstrukturen auf der Erdoberfläche)
- pyroklastische Ströme (sind noch nicht ausgemessen)
Pyroklastische Ströme sind einander sehr ähnlich. Sie haben Kugelstrukturen, deren Durchmesser in einem Verhältnis von zwei oder drei zu einander stehen. Sie sind wahrscheinlich Wellenstrukturen.
Bild 3 Wellenstrukturen im Bereich der Brandungswellen (Strand in Costa Rica)
Die Strukturen auf Bild 3 werden von Pflanzenresten gebildet, die durch die Wellen suspendiert wurden. Ein Ausmessen war leider nicht möglich. Bild 4 zeigt Wellenstrukturen, die sich beim Durchtritt von Zugluft in meiner Wohnung an einem Fensterspalt durch Ablagerung von Dieselfeinstaub gebildet haben. (Die Reinigung dieses Teiles des Fensters ist verboten!) Beim Ausmessen der Struktur erhält man eine sehr geringe Abweichung zu dem Wert nach dem Wellenlängengesetz, dessen Gültigkeit für die Wellenstrukturen in Strömungen damit bestätigt ist.
Bild 4 Wellenstrukturen am Spalt eines Fensters
Die Existenz von Wellenstrukturen in fluiden Medien wird aus Messungen zum Stofftransport gefolgert. Sie werden als Cluster, Eddys oder Turbulenzballen bezeichnet. Wellenstrukturen zeigen sich auch im Flattern von Fahnen und in den Geräuschen ,die der Wind erzeugt.
In GEO11/2022/65 ist ein Foto der Oberfläche des Amatitlansees zu sehen, das auf der gesamten Seeoberfläche gleichmäßig verteilte quadratische Strukturen zeigt, die Deutung als Wellenstrukturen drängt sich auf.
Wellenstrukturen in Strömungen werden selten beobachtet. Bild 5 sind Wellenstrukturen im Wind in der Namib zu sehen. Sie haben eine gut erkennbare Drehung.
Bild 5 Vom Wind erzeugte 5 Wellenstrukturen in der Namib
Turbulente Strömung: "Die turbulente Strömung ist die Bewegung von Fluiden, bei der Verwirbelungen in einem weiten Bereich von Größenskalen auftreten. Diese Strömungsform ist gekennzeichnet durch ein dreidimensionales Strömungsfeld mit einer zeitlich und räumlich scheinbar zufällig variierenden Komponente." Wikipedia
Die Formulierung "scheinbar zufällig" unterscheidet sich wesentlich von "chaotisch", mit der die turbulente zu früherer Zeit Strömung häufig benannt wurde. Eine chaotische Bewegung ist grundsätzlich unberechenbar. Viele, der in der Natur vorkommenden Strömungen werden als chaotisch empfunden, obwohl sie berechenbar sind. Wassertiere wie Fische, Pinguine und Robben aber auch Wassersportler können sich im Wildwasser und in der Brandung behaupten. Sie rechnen nicht mit Zahlen, gewinnen und verwerten aber Informationen aus der Strömung, die ihnen in dem scheinbaren Chaos eine sichere Bewegung gestatten. Weil sie aber nur begrenzte Möglichkeiten haben, viele und sich schnell ändernde Informationen zu verarbeiten, muss man schlussfolgern, dass es nur wenige Informationen sind, die sie benötigen. Der visuelle Eindruck einer chaotischen Bewegung ist falsch. Möglicherweise gibt es kein Chaos in der Strömung; und die o.g. Definition von Wikipedia ist zutreffend.
Turbulente Schwankungsbewegung
Wenn man die Geschwindigkeit der Strömung bei Turbulenz misst, stellt man fest, dass ihr Betrag und ihre Richtung sich ständig ändern - turbulente Schwankungsbewegung. Es ist ein periodischer Vorgang, dessen Ursache Wellenstrukturen sind und der messbare Frequenzen haben muss, die dem Frequenzgesetz folgen. Leider konnten in der Literatur noch keine Messwerte gefunden werden.
Innerhalb der Wellenstrukturen in einer rotierenden Kugel wurden Strömungen beobachtet. Sie sind noch nicht untersucht worden.
Reibung in fluiden Medien: Relativbewegungen zwischen Wellenstrukturen sind reibungsfrei. In der Strömungslehre wird aber der Begriff der inneren Reibung /Zähigkeit/ Viskosität verwendet:
- Dynamische Zähigkeit: Der Messwert wird aus der Reibung eines festen Körpers, der sich im Medium bewegt, ermittelt.
- kinematische Zähigkeit: Der Messwert wird aus der Reibung beim Ausströmen eines Mediums aus einer Düse ermittelt.
Beide Größen charakterisieren nicht die Reibung im Medium, sondern die Reibung des Mediums an einer festen Wand.
Strukturen auf der Erdoberfläche
Viele Strukturen auf der festen Erdoberfläche entstehen durch Feststoffteilchen, die im Wirbelzustand die Wellenstrukturen in der Strömung abbilden. Auch die Wellen auf der Oberfläche von Gewässern bilden die Wellenstrukturen der darüber strömenden Luft ab. Über der Oberfläche bildet sich eine Schicht, die von der Beschaffenheit der Oberfläche abhängt. Sie kann in der Atmosphäre die Höhe der Gebirge erreichen.
Literatur
/1/ Experiment 12: Rayleigh-Bénard-Konvektion FU Berlin
/2/ Untersuchungen einer kohärenten Maragoni-Bénard-Konvektionszelle, Diplomarbeit Carsten Jäger 1996
/3/ LEXIKON DER GEOGRAPHIE
/4/ Wikipedia
/5/ Rao , Klima und Wetter/ Internet
/6/ Quelle: Internet
/7/ V.Kek ;Benard-Konvektion in flüssigen Natriumschichten ,Institut für Reaktorbauelemente, 1999
/8/ A.B.C,Whipple, Stürme, Time-Life-Books 1983
/9/ G.Korum , Der Golfstrom, pdf, Internet
/10/ d.Colesfluid Mech.(1995),21/3,S 385-425
/11/ P.G.Daniels, J.Fluid Mech./1980/99/, Teil1s. 65-84