Fluiddynamik und Turbulenz (B1)

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In der Aufbauphase des Lehrstuhls war der Bereich wesentlich mit der Auslegung und der Realisierung der großen Versuchseinrichtungen Windkanal und Wasserkanal betraut. Bei deren Konzeption standen die Flexibilität und die möglichst große Anwendungsbandbreite auch für unvorhergesehene Messaufgaben neben der Qualität der erzeugten Strömungen im Vordergrund. Mit ihren ausgezeichneten Eigenschaften bilden sie heute die Basis sowohl für experimentelle strömungsmechanische Grundlagenuntersuchungen als auch für praxisbezogene und industrienahe Entwicklungsarbeiten. Eine weitere Voraussetzung hierzu ist die umfassende Instrumentierung der Kanäle mit konventioneller Messtechnik. Vor kurzem kam mit dem Brechungsindex-angepassten Kanal eine neuartige Versuchseinrichtung hinzu. Ihre Besonderheit besteht darin, dass das verwendete Strömungsmedium (ein kosmetisches Weissöl) einen optischen Brechungsindex aufweist, der dem einer bestimmtem Quarzglassorte entspricht. Damit wird erreicht, dass ein Modell, das aus diesem Glas gefertigt ist, in dem Öl optisch verschwindet. Bei Verwendung optischer Messtechniken werden somit bisher nicht realisierbare Untersuchungen möglich.

Windkanal
LDA - Messungen an  einem Automodell im Windkanal des LSTM

Parallel dazu wurde die Entwicklung innovativer Strömungsmesstechnik insbesondere von Laser-optischen Instrumenten vorangetrieben. So ermöglichen die installierten Laser-Doppler-Anemometer (LDA) störungsfreie, räumlich und zeitlich hochaufgelöste Messungen von Geschwindigkeiten auch in Strömungsgebieten mit hohem Turbulenzgrad und selbst bei Rückströmung. Für die speziellen Aufgabenstellungen der Turbulenzforschung wurden geeignete Messtechniken z. B. auf der Basis der Hitzdraht-Anemometrie (HDA) z. T. unter simultaner Verwendung der LDA entwickelt und ihre spezifischen Eigenschaften erprobt und quantifiziert. Es entstand so ein hoch spezialisiertes Instrumentarium für Anwendungen in verschiedensten turbulenten Strömungen wie Nachläufe, Wandgrenzschichten und freie Scherschichten.

Turbulente Strömungen treten in einer Vielzahl von Anlagen auf, in denen sie oftmals genutzt werden, um Wärme- und Stofftransportprozesse zu intensivieren. Hierbei beobachtet man, dass technisch relevante Strömungen oftmals durch hohe Reynoldszahlen gekennzeichnet sind, deren Behandlung nicht durch die direkten numerischen Lösungen der Grundgleichungen der Strömungsmechanik gelingt. Es gilt somit die Reynoldsschen Gleichungen zu lösen, die nur in Verbindung mit Turbulenzmodellen lösbar sind. Dieser Sachverhalt unterstreicht die praktische Bedeutung der Turbulenzforschung, die mit dem Ziel durchgeführt wird, die Physik der Turbulenz besser zu verstehen, um sie dann in detaillierte Turbulenzmodelle zu implementieren.

In der Natur und den technologischen Anwendungen verläuft der durch Strömungen verursachte Massen-, Impuls- und Energietransport instationär. Als Folge der hohen Komplexität der instationären Strömungen, des Fehlens schnell reagierender Messverfahren und Ressourcen für die numerischen Simulationen sind die zeitabhängigen Auswirkungen auf die Strömung im Zusammenhang mit strömungsrelavanten Phänomenen eine Nische im Bereich der Forschung und, insbesondere, der Entwicklung. Umfassende Kenntnisse von der Dynamik der zeitabhängige Strömungen würden sicherlich die Anwendung in einem breiten Spektrum neuartiger Prozesse, welche durch provozierten, instationären Masse-, Impuls- und Energieübertragung mit gesteuerten instationärer Dynamik möglich erscheinen, erlauben.

In den letzten Jahren wurden analytische und numerische Werkzeuge zur Behandlung von instationären Strömungen entwickelt. Darüber hinaus haben strömungserzeugende Systeme einen Zustand erreicht, dass die Schaffung von vordefinierten zeitvariierenden Durchflussbedingungen erlaubt. Diese Entwicklung deutet darauf hin, dass die strömungsmechanische Forschung und Entwicklung ähnlicher Technologien nun mit instationären Strömungen und derer Anwendung erweitert werden kann. Die Strömungsphänomene können laminar, transitional und turbulent sein, außerdem auch multiphysikalische und multidisziplinäre Eigenschaften umfassen.

Von stark zunehmender Bedeutung sind gekoppelte Phänomene wie die Fluid-Struktur-Wechselwirkung, für die eine eigene Arbeitsgruppe aufgebaut wurde. Die Arbeiten zur Fluid-Struktur-Wechselwirkung stehen unter anderem im Zusammenhang mit der DFG-Forschergruppe 493, deren primäre Zielsetzung die systematische und koordinierte Entwicklung bzw. Untersuchung numerischer Methoden zur robusten und effizienten Simulation der Fluid-Struktur-Interaktion ist. Das hier bearbeitete Teilprojekt umfasst die Konzeption und Durchführung von Prinzipexperimenten zur Verifizierung und Validierung der numerische Modelle und Simulationen.

Die derzeitigen Aktivitäten des Bereiches lassen sich in die folgenden Arbeitsschwerpunkte aufgliedern:

  • Detaillierte Messungen im Nachlauf stumpfer Körper
  • LDA-Messungen zur Unterdrückung der laminar-turbulenten Transition durch Absaugung
  • Instationäre laminare, transitionale und turbulente interne und externe Strömungen
  • Anwendung der Turbulenz in technischen Applikationen
  • Entwicklung numerischer Optimierungsalgorithmen
  • Optimierung von um- und durchströmten Bauteilen
  • Aerodynamik bodennaher Fahrzeuge
  • Wandnahe turbulente Messungen
  • Entwicklung von LDA-Messtechnik für aerodynamische Anwendungen
  • Simultane Messung von Strömungsgeschwindigkeiten und Strukturauslenkungen mit PIV (Particle Image Velocimetry)
  • Fluid-Struktur-Wechselwirkung
  • Verfeinerung der turbulenten Schließung für die Dissipationsratenkorrelationen mittels Zweipunkt-Korrelations-Technik
  • Entwicklung neuer analytischer Darstellungen für die Geschwindigkeit-Druck-Gradienten-Korrelationen unter Verwendung von Zweipunkt-Korrelations-Technik und Invarianten-Theorie
  • Validierung turbulenter Schließungen mittels Datensätzen aus Direkter Numerischer Simulation
  • Statistische Modellierung des laminar-turbulenten Umschlagprozesses
  • Messungen der turbulenten Dissipationsrate
  • Deagglomeration von Partikeln
  • Industrielle Auftragsuntersuchungen
Wasserkanal
Strömungsuntersuchungen an einem Hochgeschwindigkeitszug im Wasserkanal des LSTM