Experimentelle Untersuchungen zu großen Strukturen in vollentwickelter, turbulenter Rohrströmung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christoph Egbers
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 315905061

Der vorliegende Antrag hat experimentelle Untersuchungen zur turbulenten Rohströmung bei hohen Reynolds- und kleinen Mach-Zahlen zum Ziel. Während der vergangenen Jahre ist das Interesse an Beobachtung und Verständnis großräumig organisierter turbulenter Strukturen, die große und sehr große Strukturen und Bewegungen (LSM und VLSM) anfachen, massiv gestiegen. Eine solide Definition ihrer Art und das Verständnis ihrer Entstehung sind aber bis heute unvollständig. Dieser Antrag fokussiert deshalb auf Klärung der Natur und Herkunft dieser LSM und VLSM und charakterisiert und identifiziert sie in quantitativer Weise. Hierzu werden Experimente und numerische Simulationen (eng verzahnt mit anderen Partnern innerhalb des SPP) durchgeführt. In der ersten Phase wurden bereits erfolgreich zahlreiche Experimente über einen großen Bereich von Reynolds Zahlen von 6x10E4 ≤ Re b ≤ 1x10E6 (bezogen auf den Durchmesser D und die mittlere Geschwindigkeit Ub) und kleinen Mach-Zahlen (Ma < 0,23) an der Cottbus Large Pipe Testeinrichtung (CoLa-Pipe) durchgeführt. In der zweiten Phase werden nun die turbulenten Strömungseigenschaften mit Hilfe von miniaturisierter Hitzdraht-Sensorik (NSTAP, HWA), Hochgeschwindigkeits-Particle-Image-Velocimetrie (PIV) Verfahren und (zusammen mit DLR, A. Schröder) Shake The Box (STB) Particle Tracking Verfahren vermessen und charakterisiert. Unser Antrag fokussiert dabei zwei prominente Fragestellungen, die beide auf Erkenntnissen der ersten Phase basieren. Die Messungen werden jetzt ausgedehnt auf höhere räumliche und zeitliche Auflösungen durch Anwendung von miniaturisierter HWA und 3D hochaufgelösten Profilmessungen. Unser erstes Ziel ist es, die Unsicherheiten aufzuklären, die mit der Skalierung struktureller Turbulenzeigenschaften zu tun haben. Das zweite Ziel ist die Quantifizierung der Kinematik und Dynamik der großen kohärenten Strukturen. Die Wellenlängen, Energieinhalte und wandnormalen Positionen solcher Strukturen wurden bereits in der ersten Phase in Form von Energiespektren bestimmt. In der zweiten Phase werden wir nieder-dimensionale Unterräume aus den hoch-dimensionalen turbulenten Strömungen extrahieren mittels 2D- und 3D-zeitaufgelösten Messungen auf einem bewegten Referenzgitter durch Anwendung der charakteristischen DMD-Methode (zusammen mit TU Berlin, J. Sesterhenn). Optimierte Kombinationen der extrahierten Strukturen mit langer Lebensdauer werden Modelle reduzierter Ordnung bilden, die Strukturen beinhalten, die verantwortlich sind für die spektralen Peaks. Lebensdauer und raum-zeitliche Entwicklung jeder dieser Gruppe von Strukturen werden unter Ausschluss kleinräumiger Strukturen untersucht. Dies erlaubt uns zu bestimmen, wie solche Strukturen zu den Turbulenzeigenschaften wie z.B. TKE Inhalt und Reynolds- und Scherspannungen beitragen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1881: Turbulent Superstructures