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Turbulenz in neutralen Fluiden und Plasmen
Turbulence in neutral Fluids und Plasmas

Modul PH2175

Diese Modulbeschreibung enthält neben den eigentlichen Beschreibungen der Inhalte, Lernergebnisse, Lehr- und Lernmethoden und Prüfungsformen auch Verweise auf die aktuellen Lehrveranstaltungen und Termine für die Modulprüfung in den jeweiligen Abschnitten.

Modulversion vom WS 2018/9 (aktuell)

Von dieser Modulbeschreibung gibt es historische Versionen. Eine Modulbeschreibung ist immer so lange gültig, bis sie von einer neuen abgelöst wird.

verfügbare Modulversionen
WS 2018/9WS 2016/7SS 2013

Basisdaten

PH2175 ist ein Semestermodul in Englisch oder Deutsch auf Master-Niveau das im Wintersemester angeboten wird.

Das Modul ist Bestandteil der folgenden Kataloge in den Studienangeboten der Physik.

  • Allgemeiner Spezialfachkatalog Physik
  • Spezifischer Spezialfachkatalog Applied and Engineering Physics

Soweit nicht beim Export in einen fachfremden Studiengang ein anderer studentischer Arbeitsaufwand ("Workload") festgelegt wurde, ist der Umfang der folgenden Tabelle zu entnehmen.

GesamtaufwandPräsenzveranstaltungenUmfang (ECTS)
150 h 75 h 5 CP

Inhaltlich verantwortlich für das Modul PH2175 ist Peter Manz.

Inhalte, Lernergebnisse und Voraussetzungen

Inhalt

Dieses Modul gibt eine Einführung in die Turbulenzforschung. Dazu gehören experimentelle Beobachtungen sowie anschauliche modellhafte und einfache theoretische Ansätze zu deren Beschreibung. Ausgangspunkt sind niederdimensionale chaotische Systeme. Nach einer kurzen Einführung in die Grundlagen von neutralen Fluiden und magnetisierten Plasmen, werden für beide Systeme zunächst die wichtigsten linearen Instabilitäten behandelt um dann den Einfluss von verschiedenen Nichtlinearitäten zu demonstrieren. Die draus resultierende voll entwickelte Turbulenz wird für drei- und zwei-dimensionale Flüssigkeiten und besonders für magnetisierte Plasmen behandelt. Die verschiedenen Konzepte werden mit Beispielen aus der Astrophysik, der Fusionsforschung und aus den Ingenieurswissenschaften veranschaulicht.  Begleitend zur Vorlesung werden in Übungen numerische Techniken zur Analyse von aus Turbulenzexperimenten gewonnenen Zeitreihen erlernt. Dazu gehören Fourier- und  Wavelet-Methoden sowie moderne nichtlineare Analysetechniken.

Lernergebnisse

Nach erfolgreicher Teilnahme an diesem Modul ist der/die Studierende in der Lage

  1. die Grundlegenden Eigenschaften der Turbulenz zu erklären
  2. charakteristische Unterschiede zwischen Chaos, zwei- und dreidimensionale Turbulenz zu benennen.
  3. die wichtigsten Instabilitäten, die zur Turbulenz führen, zu erläutern
  4. experimentelle Techniken zur  Untersuchung von Turbulenz zu beschreiben
  5. grundlegende numerische Verfahren zur Zeitreihenanalysen durchzuführen

Voraussetzungen

Keine Vorkenntnisse nötig, die über die Zulassungsvoraussetzungen zum Masterstudium hinausgehen.

Lehrveranstaltungen, Lern- und Lehrmethoden und Literaturhinweise

Lehrveranstaltungen und Termine

ArtSWSTitelDozent(en)Termine
VO 2 Turbulenz in neutralen Fluiden und Plasmen Manz, P. Mi, 14:00–16:00, PH II 127
UE 2 Übung zu Turbulenz in neutralen Fluiden und Plasmen
Leitung/Koordination: Manz, P.
Termine in Gruppen

Lern- und Lehrmethoden

In der Vorlesung werden die Inhalte durch Tafelvortrag und Beamerpräsentation in didaktischer, strukturierter und umfassender Form präsentiert. Dabei werden aus einem sehr breiten Forschungsgebiet Basiswissen sowie aktuelle Themen selektiv und fokussiert behandelt. Der Fokus liegt auf theoretischen Grundlagen des Gebiets, Vorstellung der Methoden und beispielhaften Phänomenen. Bei zentralen Sachverhalten werden die Studierenden mittels wissenschaftlicher Diskussion einbezogen, um das eigenständige analytisch-physikalische Denkvermögen zu fördern. Regelmäßiger Besuch der Vorlesungen wird daher empfohlen. Das geistige Durchdringen des Vorlesungsstoffes soll Selbststudium der eigenen Notizen aus der Vorlesung sowie angegebener Lehrbücher erfolgen. Diese Nachbereitung des Stoffes ist unverzichtbar, um die Lehrinhalte zu vertiefen. Nur so können die Studierenden als Lernergebnis  das Gelernte verstehen und selbstständig erklären und anwenden. In der Übung werden anhand von Problembeispielen und state-of-the-art Analyseprogrammen die Lerninhalte vertieft und eingeübt, sodass die Studierenden das Gelernte selbständig anwenden können.

Medienformen

Vortrag, Beamerpräsentation, Tafelarbeit, Diskussion, begleitende Internetseite, ergänzende Literatur, Übungen in Einzel- und Gruppenarbeit,

Literatur

  • Davidson, Turbulence, and Introduction for Scientists and Engineers, Oxford Univ. Press 2004
  • Frisch, Turbulence; the Legacy of A.N. Kolmogorov, Cambridge University Press 1995
  • Pope, Turbulent Flows, Cambridge University Press, 2000
  • Stroth, Plasmaphysik, Phänomene, Grundlagen, Anwendungen, VIEWEG+TEUBNER Press, New York", Wiesbaden 2011

Modulprüfung

Beschreibung der Prüfungs- und Studienleistungen

Es findet eine mündliche Prüfung von etwa 25 Minuten Dauer statt. Darin wird das Erreichen der im Abschnitt Lernergebnisse dargestellten Kompetenzen mindestens in der dort angegebenen Erkenntnisstufe exemplarisch durch Verständnisfragen, Beispielrechnungen, Diskussion und SKizzen überprüft.

Prüfungsaufgabe könnte beispielsweise sein:

  • Beschreiben Sie die turbulente Kaskade in drei und zwei dimensionaler Turbulenz.
  • Schrieben Sie die Navier-Stokes und Hasegawa-Wakatani Gleichungen auf. Vergleichen sie die verschiedenen Terme beider Gleichungen miteinander.
  • Diskutieren Sie was die Dissipationsrate in turbulenten Systemen bestimmt.
  • Charakterisieren Sie verschiedene Arten von intermittentem Verhalten.
  • Beurteilen Sie Vor-und Nachteile der konditionellen Mittelung.
  • Erklären Sie die Austausch-Instabilität und die Driftwelle und vergleichen sie beide miteinander.

Während der Prüfung sind keine Hilfsmittel erlaubt.

Wiederholbarkeit

Eine Wiederholungsmöglichkeit wird am Semesterende angeboten.

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