Die Interaktion zwischen einem räumlich oszillierenden Strahl und einer Querströmung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Oliver Paschereit
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 289230680

• Erstellungsjahr: 2021

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das Forschungsprojekt beschäftigte sich mit dem fundamentalen Strömungsfeld welches entsteht, wenn ein räumlich oszillierender Strahl durch einen fluidischen Oszillator in eine Querströmung eingedüst wird. Insbesondere in der Strömungskontrolle werden diese räumlich oszillierenden Strahlen genutzt, um Strömungsablösungen zu verhindern, dreidimensionale Strömungen zu unterdrücken oder die Mischung zu verbessern. Der Grund für die hohe Effektivität in diesen Anwendungen ist aber weitestgehend unbekannt, da das zugrundeliegende Strömungsfeld nicht untersucht wurde. Druckund aufwendige Geschwindigkeitsmessungen wurden durchgeführt, um das dreidimensionale, zeitaufgelöste Strömungsfeld zu erfassen und zu untersuchen. Der Einfluss des Geschwindigkeitsverhältnisses, der Oszillationsfrequenz, sowie den Ausblaswinkeln wurde analysiert und die Auswirkungen auf das Strömungsfeld sowohl qualitativ, als auch quantitativ beschrieben. Es konnte gezeigt werden, dass, für den gewählten fluidischen Oszillator, das Strömungsfeld bei einem gegebenen Geschwindigkeitsverhältnis unabhängig von der Oszillationsfrequenz ist im inkompressiblen Bereich. Da ein linearer Zusammenhang zwischen Strahlgeschwindigkeit und Oszillationsfrequenz besteht ist die Strouhalzahl linear von dem Geschwindigkeitsverhältnis abhängig. Das Geschwindigkeitsverhältnis, bzw. die Strouhalzahl beeinflussen das Strömungsfeld stark. Bei geringen Strouhalzahlen interagiert der Strahl mit der Querströmung analog zu einem angestellten Strahl mit änderndem Ausblaswinkel. Es entstehen dominante, in Strömungsrichtung orientierte Wirbel, welche wahrscheinlich ein Grund für die hohe Effektivität bei der Strömungskontrolle sind. Bei hoher Strouhalzahl kann die Querströmung nicht mehr der momentanen Position des Strahls nachfolgen und es bildet sich zunehmend ein quasi stationäres Strömungsfeld aus, welches bereits bei relativ geringen Strouhalzahlen durch einen quasi stationären Nachlauf hinter der Düse bemerkbar ist. Das höhere Geschwindigkeitsverhältnis ermöglicht außerdem das Entstehen neuer, in Strömungsrichtung orientierter Wirbel. Bei allen Strouhalzahlen ist die Trajektorie des räumlich oszillierenden Strahls deutlich flacher als bei einem stationären Strahl. Dafür ist die spannweitige Wirkung signifikant erhöht. Bei einer Veränderung des Ausblaswinkels ändert sich das Strömungsfeld teilweise deutlich, aber die für den Basisfall beschriebenen Mechanismen bleiben weitestgehend erhalten. Aufgrund von lokalen Konvektionsgeschwindigkeitsunterschieden, ist der Strouhalzahleffekt lokal unterschiedlich und verschiebt sich zu anderen Geschwindigkeitsverhältnissen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• "The Time-Resolved Flow Field of a Jet Emitted by a Fluidic Oscillator into a Crossflow". 54th AIAA Aerospace Sciences Meeting, 2016
  Ostermann, F., Woszidlo, R., Nayeri, C., and Paschereit, C. O.
  
• "Video: Sweeping Jet from a Fluidic Oscillator in Crossflow". 69th Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics, 2016
  Ostermann, F., Godbersen, P., Woszidlo, R., Nayeri, C. N., and Paschereit, C. O.
  
• "Effect of Velocity Ratio on the Flow Field of a Spatially Oscillating Jet in Crossflow". 55th AIAA Aerospace Sciences Meeting, 2017
  Ostermann, F., Woszidlo, R., Nayeri, C. N., and Paschereit, C. O.
  
• "Sweeping jet from a fluidic oscillator in crossflow". Physical Review Fluids. 2017, 2(9)
  Ostermann, F., Godbersen, P., Woszidlo, R., Nayeri, C. N., and Paschereit, C. O.
  
• "Computational Validation and Analysis of Interaction of a Sweeping Jet and an Attached Turbulent Flow". 56th AIAA Aerospace Sciences Meeting: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2018
  Aram, S., Shan, H., Ostermann, F., and Woszidlo, R.
  
• Experimental Three-Dimensional Velocity Data of a Sweeping Jet from a Fluidic Oscillator Interacting with a Crossflow: Technische Universität Berlin, 2018
  Ostermann, F., Woszidlo, R., Nayeri, C. N., and Paschereit C. O.
  
• "Fundamental Properties of Fluidic Oscillators for Flow Control Applications". AIAA Journal. 2019, 57(3), 978-992
  Woszidlo, R., Ostermann, F., and Schmidt, H.-J.
  
• "Interaction between a Jet emitted by a Fluidic Oscillator and a Crossflow at a Skew Angle". AIAA Scitech 2019 Forum: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2019
  Ostermann, F., Woszidlo, R., Nayeri, C., and Paschereit, C. O.
  
• "The interaction between a spatially oscillating jet emitted by a fluidic oscillator and a cross-flow". Journal of Fluid Mechanics. 2019, 863, 215-241
  Ostermann, F., Woszidlo, R., Nayeri, C. N., and Paschereit, C. O.
  
• "Interaction between a Jet emitted by a Fluidic Oscillator at Various Angles". AIAA Journal. 2020, 58(6), 2450-2461
  Ostermann, F., Woszidlo, R., Nayeri, C. N., and Paschereit, C.O.