Zeitlich und räumlich hochauflösendes optisches 4D-Strömungsdiagnosesystem

• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik, Technische Thermodynamik und Thermische Energietechnik
• Förderung: Förderung von 2022 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 513183059

Das Institut für Strömungsmechanik (ISTM) am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist wissenschaftlich international sichtbar für die Untersuchung wandnaher Turbulenz und deren Kontrolle und Modifikation durch geometrische Strukturen, Wandrauheit oder aktive und passive Strömungskontrolle. Dieser Antrag soll exakte optische Messungen an zwei kürzlich erweiterten und modernisierten Windkanälen des ISTM ermöglichen: einem Flachkanal für niedrige Reynoldszahlen (Re) und einem Freistrahl-Windkanal für hohe Re. Komplementäre experimentelle und numerische Untersuchungen sind für beide Konfigurationen vorgesehen.Dies ermöglichst den folgenden holistischen Forschungsansatz für Wand-Turbulenz und deren Kontrolle: Für die kanonische Kanalströmung wird das grundlegende Verständnis der zugrundeliegenden Physik durch hochgenaue Direkte Numerische Simulationen (DNS) erweitert. Diese klassischen Simulationen einer Strömung, die statistisch 2D und räumlich voll entwickelt ist, werden durch räumlich und zeitlich aufgelöste Experimente ergänzt. Diese Experimente ermöglichen die Untersuchung von Strömungsentwicklung und 3D-Effekten, welche DNS nicht abbilden. Vor allem jedoch gewähren sie Einblicke in Phänomene, die durch Aktuatoren oder raue Oberflächen ausgelöst werden, welche selbst in DNS durch Modelle abgebildet sind und somit Validierungsdaten erfordern. Die für diese Studien beantragte modernste Ausrüstung wird als zeitlich hochauflösendes optisches 4D (zeitlich und volumetrisch) Strömungsdiagnosesystem bezeichnet.Zusätzlich zur grundlegenden Untersuchung der Strömungskontrolle in der Kanalströmung werden die Strömungskontroll- und -modifikationsstrategien auf komplexere Konfigurationen übertragen; im speziellen auf Strömungen entlang komplexer Geometrien bei höheren Re. Für diese Art von Strömung sind DNS herausfordernd bis unmöglich und es kommen Strömungslöser mit Turbulenzmodellen zum Einsatz. Um Modelle in Bezug auf modifizierte Randbedingungen durch nicht-glatte Oberflächen oder Aktuatoren weiterzuentwickeln, werden verlässliche experimentelle Daten als Grundlage und zur Validierung benötigt. Dies erfordert hochaufgelöste volumetrische Messungen großer Strömungsbereiche. Hierfür wird ein weiteres Strömungsdiagnosesystem beantragt, welches als räumlich hochauflösendes optisches 4D-Strömungsdiagnosesystem bezeichnet wird. Dieses System kann in Kombination mit einem bereits am ISTM vorhandenen Laser verwendet werden, um vier zeitlich korrelierte Sequenzen volumetrischer Messungen zu erzeugen.Die so erhaltenen Datensätze werden mit modernsten Algorithmen basierend auf dem Lagrangian Particle Tracking (LPT)-Ansatz ausgewertet - unter anderem mit volumetrischer Lagrangian Velocimetry-Software - was hochqualitative Messungen mit effizienter Datenauswertung erlaubt. Die beantragte Ausrüstung erlaubt somit, die instandgesetzten Windkanäle des ISTM bestmöglich zu nutzen, um einzigartige holistische Strömungskontroll-Forschung zu ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: zeitlich und räumlich hochauflösendes optisches 4D-Strömungsdiagnosesystem
• Gerätegruppe: 8860 Geschwindigkeitsmeßgeräte (außer 047, 053, 192 und 244)
• Antragstellende Institution: Karlsruher Institut für Technologie
• Leiterin: Professorin Dr.-Ing. Bettina Frohnapfel