Reynolds und die Turbulenz
Die Reihe namhafter Physiker und Mathematiker mit Bezug zur Meteorologie setzen wir im heutigen Tagesthema fort mit Osborne Reynolds, einem der Pioniere auf dem Gebiet der Strömungsmechanik.
Osborne Reynolds wurde am 23. August 1842 in Belfast, Irland geboren. Er wurde als britischer Physiker maßgeblich bekannt durch seine Arbeiten auf dem Gebiet der Dynamik von Fluiden (wie Luft oder auch Wasser) im Allgemeinen und der Hydrodynamik im Speziellen.
Reynolds wurde in eine Familie anglikanischer Kleriker hineingeboren. Im Jahr 1867 schloss er bereits sein Mathematikstudium am Queens’ College in Cambridge ab. Im Jahr 1868 wurde er der erste Professor für Ingenieurwesen am Owens College, Manchester, eine Position, die er bis zu seiner Pensionierung im Jahr 1905 innehatte. Er wurde 1877 Mitstreiter der ‘Royal Society’ und erhielt 1888 sogar eine königliche Medaille.
Obwohl sich seine frühesten beruflichen Forschungen mit Eigenschaften wie Magnetismus, Elektrizität und Mechanik der Himmelskörper befassten, begann Reynolds bald, sich zunehmend auf die Strömungsmechanik zu konzentrieren. Auf diesem Gebiet leistete er eine Reihe bedeutender und teils fundamentaler Beiträge. Seine Arbeiten zum Widerstandsgesetz in parallelen Wasser-Kanälen (1883) ist hierbei ein Klassiker.
Die “Reynoldssche Spannung” in Fluiden mit turbulenter Bewegung, hervorgerufen durch die (turbulente) Reibung zwischen Luft- oder Wassermolekülen, wird auch heute noch z.B. bei der meteorologischen Modellsimulation von Windböen als Ansatz verwendet.
Die nach ihm benannte “Reynolds-Zahl (Re)” hingegen sagt etwas aus über den Charakter der Strömung im Fluid, also ob die Strömung laminar (in parallelen Schichten) oder eben turbulent abläuft. Die “Reynolds-Zahl” wird auch zur Modellierung in Strömungsexperimenten verwendet. Hier erfolgt der Link zum Reynoldsschen Ähnlichkeitsgesetz, welches 1883 von Reynolds aufgestellt wurde. Es besagt, dass die Strömungen in der Natur und im Modell mechanisch ähnlich verlaufen können, solange die jeweiligen Reynolds-Zahlen (Re) übereinstimmen.
Im Folgenden noch ein kurzer Abriss über weitere Verdienste von Reynolds:
Seine Studien über Kondensation und Wärmeübertragung zwischen Feststoffen und Flüssigkeiten zogen die Entwicklung von Brennwertkesseln (Nutzung der Kondensationswärme zur Optimierung von Heizkesseln) nach sich, während seine Arbeiten über Turbinenpumpen deren rasche Entwicklung und Serienproduktion ermöglichten.
Zudem entwickelte Reynolds 1889 den standardmäßigen mathematischen Ansatz, der allgemein für Turbulenzsimulationen verwendet wird. Er studierte ebenso Wellendynamik sowie die Gezeitenbewegungen in Flüssen und leistete so bahnbrechende Beiträge zum Konzept der Gruppengeschwindigkeit von Wasserwellen. Zu seinen weiteren Errungenschaften gehören die physikalische Erklärung des Radiometers und die Bestimmung des mechanischen Wärmeäquivalents.
Er starb am 21. Februar 1912 in Watchet, Somerset in England.
Gerade Reynolds Arbeiten im Bereich der mathematischen Turbulenzsimulierung sowie deren Anwendung auf die dynamischen Prozesse in der Atmosphäre reihen ihn ein in die Liste bedeutender Naturwissenschaftler, die einen wesentlichen Beitrag zur Weiterentwicklung der Meteorologie leisteten.
Dipl.-Met. Dr. Jens Bonewitz
Deutscher Wetterdienst Vorhersage- und Beratungszentrale Offenbach, den 09.12.2020
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