Experimentelle und numerische Untersuchungen zur laminar-turbulenten Transition hinter Rauigkeiten mit Freistromturbulenz

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Ulrich Rist
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 423311937

Der Einfluss von Rauigkeiten auf die Stabilität von Grenzschichten ist ein bekanntes, aber noch nicht vollständig verstandenes Problem in der Strömungslehre. Neue theoretische Methoden können inzwischen eine globale kritischen Reynoldszahl berechnen, allerdings wurde gleichzeitig erkannt, dass diese nicht mit der Transition-Reynoldszahl im Experiment übereinstimmt. Als Erklärung wurden Hintergrundstörungen im Experiment vermutet. Das bedeutet folglich auch, dass die Transition-Reynoldszahl vom Turbulenzgrad abhängt.In diesem Forschungsvorhaben soll untersucht werden, wie stark Strömungsinstabilitäten hinter Rauigkeiten in der Grenzschicht tatsächlich von Freistromturbulenzen abhängen. Dazu wird die Transition-Reynoldszahl zunächst in der ungestörten Grenzschicht bestimmt. Danach wird der Turbulenzgrad langsam erhöht, wodurch die Transition-Reynoldszahl nach unseren Erwartungen abfällt. Dieser Zusammenhang wird ermittelt und durch Parameterstudien für verschiedene Rauigkeitsdurchmesser auf dessen Universalität geprüft.Diese Experimente werden durch Direkte Numerische Simulationen unterstützt, um Phänomene im globalen Strömungsfeld zu analysieren und um somit die zugrundeliegenden Instabilitätsmechanismen besser zu verstehen. Darüber hinaus werden Berechnungen durch die lineare Stabilitätstheorie bei uns oder unseren kooperierenden Kollegen durchgeführt und mit dem Experiment und den Direkten Numerischen Simulationen verglichen.Die experimentellen und numerischen Ergebnisse sind von hoher wissenschaftlicher und praktischer Relevanz. Zum einen stellen wir dringend benötigte experimentelle Daten bereit, die bei der Weiterentwicklung von theoretischen Methoden erforderlich sind. Dazu passen wir unsere Setups an die theoretischen Untersuchungen an. Darüber hinaus liefern unsere Versuche präzise und belastbare Daten, die bei praktischen Anwendungen mit bekanntem Turbulenzgrad verwendet werden können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen