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Versuch V-So 9: Couette-Taylor System

Abb. 1: Versuchsaufbau

Die Prozesse, die zur Ausbildung von Mustern in hydrodynamischen Strömungen sowie in chemischen und biologischen Systemen führen, sind Gegenstand aktueller und spannender Forschung. Mit dem Couette-Taylor System wird im Versuch das einfachste geschlossene System zum Studium solcher Prozesse in der Fluiddynamik bereitgestellt. Es vermittelt einige fundamentale Phänomene nichtlinearer, räumlich ausgedehnter Systeme, wie Musterbildung, Symmetriebrechung und Transition, und es ermöglicht die detaillierte Beobachtung vielfältiger Strömungsmuster auf dem Weg von einfachen laminaren Strömungen zu zeitlich und räumlich chaotischem Verhalten (und des Auftretens von Hysterese).

Im Rahmen des Versuches werden die auftretenden Strömungsmuster qualitativ und quantitativ beschrieben, sowie Übergänge zwischen verschiedenen Zuständen bis zur Turbulenz hin identifiziert. Ziel des Versuches ist, die ersten Bifurkationen fur das Couette-Taylor System zu bestimmen und exemplarisch einige höhere Bifurkationen zu identifizieren.

Abb. 2: Strömungsmuster bei Rotation des inneren Zylinders
entsprechend einer Reynoldszahl von ca. 500

Die Couette-Taylor Apparatur besteht aus zwei konzentrischen Zylindern, die unabhängig voneinander rotieren köonnen (siehe Abb. 1). Je nach Rotationsfrequenz stellen sich in dem Fluid zwischen den Zylindern (im Experiment: Wasser) verschiedene Strömungszustände ein (siehe Abb. 2). Zur Visualisierung der Strömungen werden dem Fluid Tracerteilchen zugegeben, die eine Beobachtung mit dem bloßen Auge oder einer Digitalkamera ermöglichen. Eine Schrittmotorsteuerung dient zur Einstellung der Winkelgeschwindigkeiten der beiden Zylinder. Die mittels Digitalkamera aufgenommenen Strömungsmuster werden am Rechner qualitativ ausgewertet.