Innovative Oberflächenstrukturen zur Beeinflussung der Impulsübertragung zwischen Fluid und Feststoff
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Projektes wurde eine experimentelle Infrastruktur (Mehrzweckströmungsgenerator mit angeschlossener Kanalsmessstrecke) geschaffen, die die genaue Vermessung von Änderungen der Reibungsverlusten in Gasströmungen auf Grundlage von Druckmessungen ermöglicht. Die Kanalmessstrecke ist so konzipiert, dass ein Vergleich mit Ergebnissen aus Direkten Numerischen Simulationen (DNS) turbulenter Strömungen sinnvoll möglich ist. Mit der Anlage wurden verschiedene Techniken der Reibungsminderung (passive Kontrolle durch strukturierte Oberflächen – Riblets; aktive Kontrolle mit oszillierenden Wände auf Grundlage von Dielastomeraktoren) erfolgreich getestet und mit DNS Daten verglichen. Die ursprünglich anvisierten Mikrostrukutren (Mikro Grooves) zur Reibungsminderung wurden mit verschiedenen Fertigungsverfahren erfolgreich hergestellt. Allerdings zeigte sich, entgegen der Erwartungen aus den Vorarbeiten, dass hiermit keine Reibungsminderung in voll entwickelten turbulenten Gasströmungen erzielt werden kann. Während die Überströmung mit Gas keine Reibungsminderung zeigt, kann diese erzielt werden, wenn die Oberflächenstrukturen mit Wasser überströmt werden. Hierbei bilden sich Lufteinschlüsse in den Mikro Grooves, die lokale Slip-Bedingungen verursachen und somit zu einer Verringerung der Reibungsverluste führen. Die Verringerung der turbulenten Dissipationsrate - das heißt der Energieverluste, die aufgrund turbulenter Fluktuationen im Geschwindigkeitsfeld besonders in Wandnähe auftreten - bildet den zentralen Punkt der theoretischen Analyse zur Reibungsminderung, der in Strömungen mit koexistierenden Bereichen laminarer und turbulenter Strömungszustände weiter untersucht wurde. Eine zentrale Erkenntnis der Arbeiten in diesem Bereich bezieht sich darauf, dass allgemeingültige Aussagen zur Änderung der Energiedissipation mit den klassischen DNS Verfahren nur schwer getroffen werden können. Die Entwicklung alternativer Vorgehensweisen in der Simulation turbulenter Strömungen ist Gegenstand von laufenden Forschungsarbeiten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2018) Drop bouncing by micro-grooves. International Journal of Heat and Fluid Flow 70 271–278
Fink, V.; Cai, X.; Stroh, A.; Bernard, R.; Kriegseis, J.; Frohnapfel, B.; Marschall, H.; Wörner, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.ijheatfluidflow.2018.02.014) - (2010): Theoretical considerations about near-wall turbulence and resulting flow control schemes. Proc. Appl. Math. Mech. 10: 743 – 746
Frohnapfel, B., Jovanović, J., Hasegawa, Y., Kasagi, N.
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1002/pamm.201010352) - (2011): Microflow-based control of near-wall fluctuations for large viscous drag reduction. Microfluidics and Nanofluidics
Jovanović, J., Frohnapfel, B., Srikantharajah, R., Jovanović, D., Lienhart, H., Delgado, A.
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1007/s 10404-011-0842-1) - (2012): Erlangen pipe flow: the concept and DNS results for microflow control of near-wall turbulence. Microfluidics and Nanofluidics
Lammers, P., Jovanović, J., Frohnapfel, B., Delgado, A.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s10404-012-0972-0) - (2012): Money versus Time: Evaluation of Flow Control in Terms of Energy Consumption and Convenience. Journal of Fluid Mechanics, Vol. 700: 406-418
Frohnapfel, B., Hasegawa, Y., Quadrio, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1017/jfm.2012.139) - (2012): On the flow resistance of wide surface structures, Proc. Appl. Math. Mech.
Daschiel, G., Baier, T., Saal, J., Frohnapfel, B.
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1002/pamm.201210273) - . (2012): The influence of frequency-limited and noise-contaminated sensing on reactive turbulence control schemes. Journal of Turbulence 13(16): 1-15
Stroh, A., Frohnapfel, B., Hasegawa, Y., Kasagi, N., Tropea, C.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1080/14685248.2012.679343) - (2013): Numerical investigation of flow through a triangular duct: The coexistence of laminar and turbulent flow. Int. Journal of Heat and Fluid Flow 41: 27-33
Daschiel, G., Frohnapfel, B., Jovanović, J.
- (2013): Prediction of turbulence control for arbitrary periodic spanwise wall movement. Physics of Fluids 25: 075102
Cimarelli, A., Frohnapfel, B., Hasegawa, Y., De Angelis, E., Quadrio, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4813807) - (2014): Turbulent flow over superhydrophobic surfaces with streamwise grooves. Journal of Fluid Mechanics, Vol. 747: 186-217
Tuerk, S., Daschiel, G., Stroh, A., Hasegawa, Y., Frohnapfel, B.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1017/jfm.2014.137) - (2015): A comparison of opposition control in turbulent boundary layer and turbulent channel flow. Physics of Fluids 27, 075101
Stroh, A., Hasegawa, Y., Schlatter, P., Frohnapfel, B.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4923234) - (2015): Experimental assessment of spanwise-oscillating dielectric electroactive surfaces for turbulent drag reduction in an air channel flow. Experiments in Fluids, Vol. 56: 110-125
Gatti, D. Güttler, A., Frohnapfel, B., Tropea, C.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s00348-015-1983-x) - (2016): Global effect of local skin friction drag reduction in spatially developing turbulent boundary layer, Journal of Fluid Mechanics 805: 303-321
Stroh, A., Hasegawa, Y., Schlatter, P. and Frohnapfel, B.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1017/jfm.2016.545)
