Die laminare Ablöseblase und der Turbulenzeinfluss bei instationärer Zuströmung

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Dieter Peitsch
• Subject Area: Fluid Mechanics
• Term: from 2012 to 2015
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 221673844

• Final Report Year: 2016

Final Report Abstract

Der Sachmittelantrag stützte sich auf die Arbeitshypothese, dass der Einfluß von Turbulenz und Instationarität auf die Grenzschichtströmung mit Ablöseblasen genauer untersuchenswert ist. Das Ziel hierbei lag auf einer Klärung der Mechanismen und der Einsicht in die physikalischen Prozesse. Konkrete technische Verbesserungen standen bei diesem grundlagenorientiertem Ansatz nicht im Fokus. Diese Projekt hebt sich durch andere, im Stand der Forschung des Sachmittelantrags, erläuterten Untersuchungen dadurch ab, dass die räumliche Auflösung der Daten ungewöhnlich hoch ist. Dies ermöglicht eine detailierte Darstellung des Transitionsablaufs, wie es bislang nicht möglich war. In der Tat konnte gezeigt werden, dass Turbulenz die Grenzschichtströmung wesentlich beeinflusst. Bereits die laminare Grenzschicht wird gestört, wodurch sich der Ablösepunkt verschiebt. Mit zunehmendem Turbulenzgrad verlagert sich die transitionsauslösende Instabilität von der Kelvin-Helmholtz Instabilität der freien Scherschicht zu den Klebanoff- Modes der laminaren Grenzschicht. Das Verhalten der Blase bei instationärer Zuströmung wird durch den sich zeitlich verändernden Druckgradienten dominiert. Dies führt zu dem Auftreten von beruhigten Zonen, bei denen die Grenzschicht über der gesamten Plattenlänge laminar ist. Ein zeitliches Mittel bei instationärer Zuströmung gibt daher deutlich andere Ergebnisse als stationäre Zuströmungen. Stationäre Betrachtungen sind also für die Auslegung eines Schaufelprofils nicht hinreichend. Allerdings konnten nicht alle Ziele erreicht werden. Direkte Messungen der Klebanoff Modes in der laminaren Grenzschicht erwiesen sich mit den vorhandenen Mitteln als nicht umsetzbar. Die Strukturen sind so klein, dass die Auflösung des vorhandenen PIV Systems nicht ausreicht. Weiterhin ist die dreidimensionale Struktur mit Stereo-PIV nicht erfassbar. In Kooperation mit LaVision wurde daher ein Tomographie PIV Aufbau erprobt. Hierzu wurde die Traverse entfernt und die Kunststoff Fenster durch Glas ersetzt. Die besseren optischen Eigenschaften erlauben erheblich schärfere Partikelbilder und reduzieren damit das Rauschen. Hierdurch ist eine höhere räumliche Auflösung möglich, weil kleine Auswertefenster mit wenig Partikeln noch eine hohe Korrelation ergeben. Dieser Aufbau benötigt insgesamt vier Kameras und konnte ausgiebig erprobt werden. Allerdings ist auch hier die räumliche Auflösung noch nicht hoch genug, um die Klebanoff Modes abzubilden. Eine weitere Erhöhung der Auflösung ist möglich, allerdings sind hierzu weitere Umbaumaßnahmen nötig. Das Lichtvolumen, welches bei den durchgeführten Messungen hochkant auf der Plattenoberseite liegt würde dazu flach auf der Oberfläche positioniert werden. Die Kameras würden von unten durch eine durchsichtige Platte die Partikelbilder aufnehmen. Die Kameras könnten so sehr nah an das Volumen heranrücken, was die optische Auflösunge erhöht. Versuche mit diesem messtechnischen Aufbau sind in Planung. Die Auswertung des umfangreichen Datenmaterials ist zum gegenwärtigen Zeitpunkt noch nicht abgeschlossen. Eine weitergehende Analyse der Hitzdrahtergebnisse in Kombination mit den PIV Ergebnissen ist möglich. Insbesondere zur Vorbereitung des neuen Versuchsaufbaus und weiterer Messungen.

Publications

• Forcing of Separation Bubbles by Main Flow Unsteadiness or Pulsed Vortex Generating Jets - A Comparison. In: Journal of Turbomachinery 136 (Mai 2014), S. 051016–1–051016–12
  Lyko, C., Dähnert, J. und Peitsch, D.
  
• Investigation of Bypass Transition in the Presence of a Separation Bubble with Tomographic PIV. In: Proceedings of ASME Turbo Expo 2016. GT2016-57884. ASME. Juni 2016
  Lyko, C., Michaelis, D., Dittmar, M. und Peitsch, D.