Wie interagieren turbulente Superstrukturen mit der viskosen Reibung an der Wand?

• Antragstellerin: Professorin Dr.-Ing. Bettina Frohnapfel
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 316200959

Obwohl bekannt ist, dass turbulente Superstrukturen (TSS) einen deutlichen Fußabdruck in der wandnahen Turbulenz hinterlassen, wissen wir relativ wenig über ihren quantitativen Einfluss auf den Impulstransport vom Fluid zur Wand, der durch die viskose Reibung charakterisiert ist. Die Ergebnisse der ersten Phase zeigen, dass eine einfach Entfernung der TSS aus der Strömung sich nicht zur Reibungsminderung eignet, da dadurch neue Strukturen auf kleinerer Skala entstehen. Zusätzlich zeigte sich, dass Veränderung der großen Skalen in kontrollierten Strömungen mit Reibungsminderung alleine durch die effektive Kanalhöhe und Reynoldszahl quantifizierbar sind. Daraus lässt sich in Übereinstimmung mit anderen Literaturergebnissen schließen, dass TSS weitgehend unabhängig von dem wandnahen turbulenten Regenerationsmechanismus existieren. Nachdem die numerischen Experimente der ersten Phase (wie viele Arbeiten in diesem Themenfeld) auf einen Reynoldszahlbereich beschränkt sind, in dem TSS und die zugehörige Skaleninteraktion nur relativ schwach auftreten, beabsichtigen wir in der zweiten Phase mit einem Modellsystem für TSS zu arbeiten. Es handelt sich dabei um eine turbulente Kanalströmung auf deren Wänden in Strömungsrichtung orientierte Stege angebracht sind. Diese Stege führen zur Ausbildung von Sekundärströmungen in der Form von großskaligen Wirbeln. Es ist bekannt, dass diese Sekundärströmungen die charakteristischen Eigenschaften von natürlich auftretenden TSS bei größeren Reynoldszahlen reproduzieren. In einer kombinierten experimentellen und numerischen Untersuchung widmen wir uns der Interaktion dieser TSS mit der viskosen Reibung, der zugehörigen Skaleninteraktion und den Möglichkeiten der Strömungskontrolle durch das Einbringen von TSS (im Gegensatz zu deren Entfernung). Durch die Kollaborationen in der ersten Phase wurde deutlich, dass die Detektion von TSS durch die Präsenz von kleinskaliger Turbulenz erschwert wird. Daher werden sich mehrere Gruppen in der zweiten Phase mit verschiedenen Filtermöglichkeiten beschäftigen. Im vorliegenden Projekt erfolgt die Filterung auf Grundlage eines reduzierten Modells der Sekundärströmung. Die gefilterten Daten sowie der vollständige Datensatz werden den anderen Gruppen im SPP zur Verfügung gestellt und sind insbesondere für die Kollegen interessant, die sich mit der effektiven Detektion von TSS beschäftigen.Das vorliegende Projekte leistest einen Beitrat zu den folgenden Zielen des SPP:- Quantifizierung des Einflusses der TSS auf den globalen Transport turbulente Statistiken - Verständnis für den Mechanismus der TSS und die Rolle der Randbedingungen entwickeln- Ansätze zur Kontrolle und effizienten Modellierung von TSS entwickeln

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