Lagrangesche und Eulersche Analyse von Superstrukturen in wandgebundener Turbulenz basierend auf großskaligen, zeitaufgelösten und volumetrischen Messungen mittels Shake-The-Box und FlowFit

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Schröder
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 316201174

Mit diesem Projekt beantragen wir Mittel für die Anwendung von innovativen experimentellen Strömungsmesstechniken, mit dem Ziel turbulente Superstrukturen in turbulenten Grenzschichten und Rohrströmungen mit hoher Reynoldszahl detailliert zu untersuchen. Die dreidimensionale zeitaufgelöste Strömungsmessung mit dem DLR eigenen Shake-The-Box (STB) Verfahren basiert auf der Verfolgung von Lagrangeschen Partikeltrajektorien und liefert mit bisher unerreichten Partikeldichten hochaufgelöste Geschwindigkeits- und Beschleunigungsfelder in großen und kleinen Messvolumina. Die hohe Auflösung in einem Messvolumen ermöglicht es, gleichzeitig eine große Bandbreite von raum-zeitlichen Skalen in der turbulenten Strömung aufzulösen; insbesondere können ausgedehnte Superstrukturen erfasst und ihre Wechselwirkung mit kleineren Skalen untersucht werden. Die Geschwindigkeits- und Beschleunigungswerte stammen dabei aus punktuellen Ableitungen entlang zeitlich gefilterten einzelnen Partikeltrajektorien und sind daher hochgenau. Darüber hinaus wird das ebenfalls beim DLR entwickelte nicht-lineare Datenassimilierungsverfahren FlowFit auf die zufällig anhand der Partikeltrajektorien im Messvolumen verteilten Geschwindigkeits- und Beschleunigungsvektoren angewendet, um mittels Einforderung der Kontinuitäts- und Impulsgleichung von Navier-Stokes kontinuierliche und zeitlich-aufgelöste Repräsentationen der 3D Geschwindigkeitsvektor- und Druckfelder im Messvolumen zu berechnen. In der ersten Projekthase des SPP 1881 konnten mit der STB Messtechnik sehr erfolgreich detaillierte großskalige Strömungsfelder in turbulenten Grenzschichten bei hohen Reynoldszahlen mittels heliumgefüllten Seifenblasen und gepulster LED Beleuchtung vermessen werden. Dabei wurden im AWM in München bis zu 630.000 Partikel gleichzeitig in einem 2,9 m langen, 80 cm breiten und 25 cm hohen Volumen entlang einer Grenzschichtströmung verfolgt, die allmählich von einem verschwindenden zu einem positiven Druckgradienten bis in die Ablösung wechselt. Dabei wurden erfolgreich Superstrukturen bei Strömungsgeschwindigkeiten bis zu 21 m/s vermessen.In der zweiten Projektphase soll nun die bewährte großskalige STB Messtechnik auch zur Untersuchung der Superstrukturen in turbulenten Rohrströmungen hoher Reynoldszahl in der CoLaPipe in Cottbus angewendet werden. Um zusätzlich die Schwankungen der Geschwindigkeiten in Wandnähe unter dem Einfluss der turbulenten Superstrukturen zu untersuchen, werden zeitlich sehr hochaufgelöste STB Messungen entlang eines mehrere Zentimeter langen wandnormalen Laserstrahls mit ca. 10 x 3 mm² Querschnittsfläche bei ca. 20 -80 kHz in der turbulenten Grenzschicht im AWM und Rohrströmung durchgeführtDie gemessenen Strömungsdatensätze sind sowohl in ihrer raum-zeitlichen Auflösung, als auch in der Größe des Messvolumen und der zeitlichen statistisch konvergenten Datenmenge einzigartig, wobei gerade letztere z.Zt. nicht von numerischen Verfahren (DNS) erreicht wird.

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