Fluiddynamik und Turbulenz (B1)

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In der Aufbauphase des Lehrstuhls war der Bereich wesentlich mit der Auslegung und der Realisierung der gro√üen Versuchseinrichtungen Windkanal und Wasserkanal betraut. Bei deren Konzeption standen die Flexibilit√§t und die m√∂glichst gro√üe Anwendungsbandbreite auch f√ľr unvorhergesehene Messaufgaben neben der Qualit√§t der erzeugten Str√∂mungen im Vordergrund. Mit ihren ausgezeichneten Eigenschaften bilden sie heute die Basis sowohl f√ľr experimentelle str√∂mungsmechanische Grundlagenuntersuchungen als auch f√ľr praxisbezogene und industrienahe Entwicklungsarbeiten. Eine weitere Voraussetzung hierzu ist die umfassende Instrumentierung der Kan√§le mit konventioneller Messtechnik. Vor kurzem kam mit dem Brechungsindex-angepassten Kanal eine neuartige Versuchseinrichtung hinzu. Ihre Besonderheit besteht darin, dass das verwendete Str√∂mungsmedium (ein kosmetisches Weiss√∂l) einen optischen Brechungsindex aufweist, der dem einer bestimmtem Quarzglassorte entspricht. Damit wird erreicht, dass ein Modell, das aus diesem Glas gefertigt ist, in dem √Ėl optisch verschwindet. Bei Verwendung optischer Messtechniken werden somit bisher nicht realisierbare Untersuchungen m√∂glich.

Windkanal
LDA - Messungen an  einem Automodell im Windkanal des LSTM

Parallel dazu wurde die Entwicklung innovativer Str√∂mungsmesstechnik insbesondere von Laser-optischen Instrumenten vorangetrieben. So erm√∂glichen die installierten Laser-Doppler-Anemometer (LDA) st√∂rungsfreie, r√§umlich und zeitlich hochaufgel√∂ste Messungen von Geschwindigkeiten auch in Str√∂mungsgebieten mit hohem Turbulenzgrad und selbst bei R√ľckstr√∂mung. F√ľr 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 f√ľr Anwendungen in verschiedensten turbulenten Str√∂mungen wie Nachl√§ufe, Wandgrenzschichten und freie Scherschichten.

Turbulente Str√∂mungen treten in einer Vielzahl von Anlagen auf, in denen sie oftmals genutzt werden, um W√§rme- und Stofftransportprozesse zu intensivieren. Hierbei beobachtet man, dass technisch relevante Str√∂mungen oftmals durch hohe Reynoldszahlen gekennzeichnet sind, deren Behandlung nicht durch die direkten numerischen L√∂sungen der Grundgleichungen der Str√∂mungsmechanik gelingt. Es gilt somit die Reynoldsschen Gleichungen zu l√∂sen, die nur in Verbindung mit Turbulenzmodellen l√∂sbar sind. Dieser Sachverhalt unterstreicht die praktische Bedeutung der Turbulenzforschung, die mit dem Ziel durchgef√ľhrt wird, die Physik der Turbulenz besser zu verstehen, um sie dann in detaillierte Turbulenzmodelle zu implementieren.

In der Natur und den technologischen Anwendungen verl√§uft der durch Str√∂mungen verursachte Massen-, Impuls- und Energietransport instation√§r. Als Folge der hohen Komplexit√§t der instation√§ren Str√∂mungen, des Fehlens schnell reagierender Messverfahren und Ressourcen f√ľr die numerischen Simulationen sind die zeitabh√§ngigen Auswirkungen auf die Str√∂mung im Zusammenhang mit str√∂mungsrelavanten Ph√§nomenen eine Nische im Bereich der Forschung und, insbesondere, der Entwicklung. Umfassende Kenntnisse von der Dynamik der zeitabh√§ngige Str√∂mungen w√ľrden sicherlich die Anwendung in einem breiten Spektrum neuartiger Prozesse, welche durch provozierten, instation√§ren Masse-, Impuls- und Energie√ľbertragung mit gesteuerten instation√§rer Dynamik m√∂glich erscheinen, erlauben.

In den letzten Jahren wurden analytische und numerische Werkzeuge zur Behandlung von instation√§ren Str√∂mungen entwickelt. Dar√ľber hinaus haben str√∂mungserzeugende Systeme einen Zustand erreicht, dass die Schaffung von vordefinierten zeitvariierenden Durchflussbedingungen erlaubt. Diese Entwicklung deutet darauf hin, dass die str√∂mungsmechanische Forschung und Entwicklung √§hnlicher Technologien nun mit instation√§ren Str√∂mungen und derer Anwendung erweitert werden kann. Die Str√∂mungsph√§nomene k√∂nnen laminar, transitional und turbulent sein, au√üerdem auch multiphysikalische und multidisziplin√§re Eigenschaften umfassen.

Von stark zunehmender Bedeutung sind gekoppelte Ph√§nomene wie die Fluid-Struktur-Wechselwirkung, f√ľr die eine eigene Arbeitsgruppe aufgebaut wurde. Die Arbeiten zur Fluid-Struktur-Wechselwirkung stehen unter anderem im Zusammenhang mit der DFG-Forschergruppe 493, deren prim√§re 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 Durchf√ľhrung 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 K√∂rper
  • LDA-Messungen zur Unterdr√ľckung der laminar-turbulenten Transition durch Absaugung
  • Instation√§re laminare, transitionale und turbulente interne und externe Str√∂mungen
  • Anwendung der Turbulenz in technischen Applikationen
  • Entwicklung numerischer Optimierungsalgorithmen
  • Optimierung von um- und durchstr√∂mten Bauteilen
  • Aerodynamik bodennaher Fahrzeuge
  • Wandnahe turbulente Messungen
  • Entwicklung von LDA-Messtechnik f√ľr aerodynamische Anwendungen
  • Simultane Messung von Str√∂mungsgeschwindigkeiten und Strukturauslenkungen mit PIV (Particle Image Velocimetry)
  • Fluid-Struktur-Wechselwirkung
  • Verfeinerung der turbulenten Schlie√üung f√ľr die Dissipationsratenkorrelationen mittels Zweipunkt-Korrelations-Technik
  • Entwicklung neuer analytischer Darstellungen f√ľr die Geschwindigkeit-Druck-Gradienten-Korrelationen unter Verwendung von Zweipunkt-Korrelations-Technik und Invarianten-Theorie
  • Validierung turbulenter Schlie√üungen mittels Datens√§tzen 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

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