Staubteufelähnliche Wirbel in turbulenter Rayleigh-Bénard Konvektion – Eine Studie unter Verwendung der direkten numerischen Simulation

Staubteufel sind an der Erdoberfläche gebundene, konvektive Wirbel mit vertikaler Rotationsachse, die durch das Aufwirbeln von Bodenpartikeln sichtbar werden. Die aufgewirbelten Partikel tragen zum atmosphärischen Aerosoleintrag und damit zur Modifizierung des Strahlungshaushaltes der Erde bei. Um den durch die Staubteufel verursachten Staubeintrag zu quantifizieren, bedarf es zuverlässiger Informationen über deren Statistik, Entstehungsprozess und Erhaltungsmechanismen. In der Vergangenheit wurden diese Informationen fast ausschließlich aus Feldexperimenten sowie Grobstruktursimulationen (engl. large-eddy simulation, LES) gewonnen. Feldexperimente leiden vor allem unter dem unberechenbaren Auftreten der Staubteufel und dem stark begrenzten Gebiet, welches zuverlässig überwacht werden kann. Zudem wird in LES die Wirbelstruktur beziehungsweise die dem Staubteufel bestimmende Turbulenz nicht vollständig aufgelöst. Dies ist insbesondere in der Nähe des Erdbodens der Fall, wo sich die Staubteufel zuerst entwickeln. Zudem werden die Staubteufel bei der LES in bisher unbekanntem Maße von den Randbedingungen an der Oberfläche und dem verwendeten Subgridskalen-Modell beeinflusst. Um diese Problematiken zu umgehen und das Verständnis staubteufelähnlicher Strukturen zu erweitern, haben wir die Methodik der direkten numerischen Simulation (engl. direct numerical simulation, DNS) angewendet, welche erstmals für eine umfassende Untersuchung der Staubteufelstatistik und deren Struktur eingesetzt wurde. Simuliert wurde eine Rayleigh-Bénard Konvektion zwischen zwei ebenen, beheizten Platten mit Rayleigh-Zahlen von bis zu 10¹¹. Unsere Ergebnisse zeigen, dass staubteufelähnliche Wirbel bereits bei im Vergleich zur Atmosphäre deutlich geringen Rayleigh-Zahlen von 10⁷ oder mehr entstehen. Dies stimmt mit vorherigen DNS-Studien überein, in denen ausgeprägte Wirbel mit vertikaler Achse zwar beobachtet jedoch nicht weiter untersuchen wurden. Die Staubteufelstatistik variiert stark mit der Rayleigh-Zahl und den gewählten Randbedingungen für die Geschwindigkeiten (Gleit- oder Haftreibungsbedingung), jedoch weniger mit dem Aspektverhältnis des Modellgebietes. Zudem zeigen die simulierten Staubteufel sehr ähnliche Eigenschaften wie die konvektiven Wirbel, die in LES-Simulationen der atmosphärischen Grenzschicht analysiert wurden.