„Sie können die Luftwirbel hinter Flugzeugen spüren, wenn Sie sich am Frankfurter Flughafen ans Ende der Landebahn stellen“, sagt Martin Oberlack. Der Professor nutzt gern Alltagsbeispiele, um sein Thema zu veranschaulichen: „Heißes Wasser schwappt schneller im Topf als kaltes“, sagt er. Denn es ist dünnflüssiger und damit anfälliger für Verwirbelungen. „Wenn Sie Honig umrühren, entstehen kaum Wirbel“, vergleicht Oberlack.

Damit ist man mitten im Problem. „Turbulenzen haben eine unangenehme Eigenschaft“, sagt Oberlack: Die Wirbel treten nicht in einer Größe auf, sondern in einem ganzen Spektrum – von groß bis winzig klein. Und je dünnflüssiger, im Fachjargon je weniger viskos, ein Medium ist, desto kleinere Wirbel kommen vor. Weil Luft niedrigviskos ist, stellt sich das Problem in der Aerodynamik, etwa bei Flugzeugen, besonders. Die begrenzte Rechenpower von Computern macht es praktisch unmöglich, auch noch die kleinsten Wirbel zu simulieren, was Entwickler aber gerne täten, um ihre Entwürfe zu optimieren. Weniger Turbulenzen bedeuten weniger Reibungswiderstand und somit Spritersparnis. Schon kleinste Einsparungen wären willkommen: „In der Luftfahrt zählt jedes eingesparte Prozent Treibstoff“, sagt Oberlack.

Die Alternative zu Simulationen sind Windkanaltests mit Flug- oder Fahrzeugmodellen. Diese sind jedoch kleiner als die Originale, wodurch die Turbulenzen nicht dem realen Flugzeug entsprechen – das lässt sich nur teilweise ausgleichen, etwa durch einen kälteren, schnelleren Luftstrom. Doch auch die Experimente haben Grenzen. Größen wie Druck oder Strömungsgeschwindigkeit lassen sich nicht beliebig genau messen. „Man misst entweder scharf aufgelöst in einem kleinen Teil des Modells oder überall, dafür aber weniger detailliert“, erklärt Oberlack. Computersimulationen hätten dagegen einen großen Vorteil: „Für jeden räumlichen Punkt und Zeitpunkt haben wir Zugang zu allen Daten“, sagt der Luft- und Raumfahrtingenieur.

Simulationen profitieren zwar davon, dass Großrechner wie der im Forschungszentrum Jülich immer leistungsstärker werden. Das tröstet Oberlack aber wenig: „Wenn das im gleichen Tempo weitergeht, werden wir erst in 40 Jahren so weit sein, ein kommerzielles Flugzeug im Supercomputer zu simulieren“, sagt er. Sein Team arbeitet daher an vereinfachenden mathematischen Verfahren. Zusammen mit Kollegen der Polytechnischen Universität Valencia erzielten sie 2022 Durchbrüche, die in renommierten Fachjournalen erschienen.

Das Forscherteam fand eine Abkürzung zu nützlichen Ergebnissen mit vertretbarem Rechenaufwand. „Oft interessiert uns Ingenieure nicht jeder einzelne Datenpunkt, sondern es reichen statistische Werte, etwa Mittelwert oder Varianz des Drucks“, erklärt Oberlack. Doch auch eine umfassende Statistik zu berechnen, war vor dem Durchbruch nicht möglich – dafür wäre das Lösen unendlich vieler Gleichungen nötig. Durch Oberlacks Umformungen ist nur noch eine endliche Zahl an Gleichungen zu lösen – machbar für Großrechner, aber weiterhin aufwändig.

Nun geht das rund 20-köpfige Team den nächsten Schritt: 2025 ging in Jülich ein Exascale-Rechner der neuesten Generation in Betrieb. Rechenzeit auf „Jupiter“ ist unter Wissenschaftlern sehr begehrt. „Wir können dort in den nächsten Monaten eine sehr große Simulation fahren“, sagt Oberlack. Damit wollen die Forscher die Geschwindigkeitsverteilung an einzelnen Punkten des simulierten Modells genauer untersuchen. Diese weicht von der „Normalverteilung“ ab, wie sie etwa für Körpergrößen gilt – Menschen über zwei oder unter einem Meter sind sehr selten. „Bei Turbulenzen ist das anders“, erklärt Oberlack. Extreme Ausschläge nach oben oder unten – also extrem hohe oder niedrige Luftgeschwindigkeiten – sind relativ häufig. Das interessiert die Darmstädter Gruppe, die so tiefere Einblicke in die Natur von Turbulenzen gewinnen will. Gelingt das, lassen sich Turbulenzen mit deutlich weniger Rechenaufwand simulieren. Dann spürt man am Anfang der Landebahn womöglich kein Lüftchen mehr, wenn ein Flugzeug drüberfliegt.

Christian J. Meier

“International Symposium on Turbulence and Shear Flow Phenomena” (TSFB)

Vom 28. bis zum 31. Juli findet mit dem “International Symposium on Turbulence and Shear Flow Phenomena” (TSFB)” eine der wichtigsten Konferenzen der Turbulenzforschung in Heidelberg statt. Im Interview spricht Hauptorganisator Professor Martin Oberlack, Leiter des Fachgebiets für Strömungsdynamik an der TU Darmstadt, über die Bedeutung der Turbulenzforschung im Allgemeinen und die Rolle der TSFB im Speziellen.