Taylorwirbelapparat

Der Taylorwirbelapparat dient zur Darstellung der Taylor-Couette-Strömung. Die Strömung zwischen zwei konzentrischen Zylindern, die sich relativ zueinander bewegen, beschäftigt die Wissenschaft schon seit dem 17. Jahrhundert. Ist die Relativgeschwindigkeit zwischen den beiden Zylinder gering und der Spaltweite klein gegenüber den Zylinderdurchmessern, so kann die Strömung wie eine ebene laminare Strömung zwischen zwei relativ zueinander bewegten ebenen Platten betrachtet werden (Siehe Abbildung 1a). Eine solche Strömung bezeichnet man als laminare Couette Strömung, nach dem Wissenschaftler Maurice Couette. Erhöht man nun die Rotationsgeschwindigkeit des inneren Zylinders gegenüber der des Äußeren (wobei dieser auch still stehen kann), so bilden sich sogenannte laminare Taylorwirbel aus, die man sich als übereinander geschichtete Tori (Torus=geometrisches Gebilde in Form eines Reifens) vorstellen kann. Dabei drehen sich zwei übereinanderliegende Tori immer entgegengesetzt. Der Durchmesser der Tori entspricht der Spaltweite (siehe Abbildung 1b). Die Bezeichnung Taylorwirbel geht auf den Entdecker des Phänomens Geoffrey Ingram Taylor zurück. Bei einer weiteren Erhöhung der Geschwindigkeit des inneren Zylinders beginnen die Tori wellenförmig zu in axialer Richtung schwingen (Siehe Abbildung 1c). Eine noch weitere Erhöhung führt zu einem turbulenten Strömungszustand (Siehe Abbildung 1d).

Der hier verwendete Aufbau ist in Abbildung 2 schematisch dargestellt.

In einem äußeren starren Zylinder befindet sich konzentrisch ein drehbar gelagerter kleiner Zylinder. Der äußere Zylinder besitzt einen Innendurchmesser von 240 mm, der innere Zylinder einen Außendurchmesser von 200 mmm. Der verbleibende Spalt von 20 mm Breite ist mit einem Newtonschen Fluid (Wasser-Glyzerin) gefüllt. Die Drehzahl des inneren Zylinders kann stufenlos geregelt werden. Zur Sichtbarmachung des Phänomens werden feinste Goldflitterteilchen (z.B. Iriodin 300 Goldperl) verwendet. Die Beleuchtung erfolgt über LEDs, die senkrecht von oben in den Spalt strahlen.