Numerische Untersuchungen zur Wirbelbildung und Wirbeldynamik in Scherströmungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Dem vorliegenden Projekt lag die Idee zu Grunde, digitale Strömungsfelddaten, die aus punktbasierter Information über Geschwindigkeit, Druck, Dichte, etc. bestehen, durch geeignete Algorithmen auf strömungsmechanische Strukturen, wie Wirbel und Scherschichten zu reduzieren, um dadurch ein höheres Abstraktionsniveau, eine Datenreduktion und neue physikalische Erkenntnisse zu erhalten. Neu ist die Reduktion der Daten auf Wirbelachsen und Scherschichtflächen, deren Geometrie sich als Extremallinien bzw. ‐kurven aus den Rohdaten automatisch extrahieren lassen. Da man dabei gleichzeitig jede beliebige weitere Information extrahieren und entlang der Kurve oder Fläche abspeichern kann, erhält man eigentlich ein mächtiges Werkzeug. Hierbei tritt jedoch das Problem auf, dass zunächst noch geklärt werden muss, welche dieser Größen einen bestimmten physikalischen Effekt am besten beschreibt. Dieses Problem konnte bisher nicht gelöst werden, da die vorghandenen 3‐D‐DNS‐Daten dafür zu komplex sind. Daher wurde begonnen, grundlegende Wirbel‐Scherschicht‐Interaktionen zu studieren. Das Projekt musste jedoch beendet werden, bevor diese Studien zu dem beabsichtigten Ziel geführt haben. Eine wesentliche Erkenntnis der vorliegenden Arbeiten besteht daher in der Feststellung, dass erst noch weitere grundlegende Studien isolierter 3‐D Ereignisse erforderlich sind, bevor man ein Tool entwickeln kann, das dabei hilft, Strömungsdaten zu interpretieren. Für die vorliegenden Untersuchungen konnten Datensätze verwendet werden, die durch direkte numerische Simulation auf der Basis der vollständigen Navier‐Stokes‐Gleichungen gewonnen wurden. Der Nachlauf einer ebenen Platte im Unterschall, Daten zur Effusionskühlung in einer laminaren Überschall‐Grenzschicht und Daten zur Interaktion isolierter Wirbel. Zwei Probleme, die die Identifikation von Wirbelgebieten beeinflussen können, wurden näher untersucht, der Einfluss axialer Streckung und der Einfluss der Kompressibilität des Fluids. In beiden Fällen konnten Lösungsvorschläge empfohlen werden. Ein weiteres Novum ist die Betrachtung von Scherschichten als gleichberechtigter Partner zur Beschreibung des Strömungsfelds und zur Interaktion mit Wirbeln. Grundlegende Zusammenhänge, die sich an isolierten Einzelwirbeln gut illustrieren lassen, können jedoch nicht einfach in Software umgesetzt werden, die dann auf beliebig komplexe Strömungen angewandt werden kann. Dazu sind die möglichen Wechselwirkungen und die mögliche Topologie dreidimensionaler Wirbel‐ und Scherschichtgebiete zu komplex. Was die Interaktion von Scherschichten und Wirbeln im zweidimensionalen angeht, so konnten sowohl zur Generierung von Wirbeln aus einer freien Scherschicht als auch zur Generierung neuer Scherschichten durch Wirbelinterkation neue Erkenntnisse gewonnen werden, siehe Publikationen. Ein Teil der vorliegenden Ergebnisse wurden am Institut für Visualisierung und Interaktive Systeme der Universität Stuttgart (Prof. T. Ertl) in ein interaktives Tool implementiert, in dem man Wirbel‐ und Scherschichtregionen in instationären Daten auswählen und verfolgen kann. Da es nicht gelungen ist, ein fertiges Werkzeug zu entwickeln, das man einem potentiellen Anwender einfach in die Hand drücken könnte, müssten die Arbeiten fortgeführt werden, und zwar zunächst an weiteren generischen 3‐D‐Konfigurationen, deren Komplexität dann Schritt für Schritt gesteigert werden müsste. Wichtig ist dabei weiterhin die Klärung der Frage, welche Kriterien zur Verbesserung der Beschreibung und Vorhersage der Kinematik von Wirbel‐ und Scherschichtbewegungen in instationären Strömungsfeldern am besten geeignet sind, so dass sich diese automatisch extrahieren und visualisieren oder zur physikalischen Modellbildung verwenden lassen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Particle‐based vortex core line tracking taking into account vortex dynamics, Proc. ISFV 13 / FLUVISU 12 ‐ Nice Acropolis Center, July 1st ‐ 4th, 2008
T. Schafhitzel, K. Baysal, U. Rist, D. Weiskopf, T. Ertl
- Shear Layer Analysis in the Investigation of Vortex Dynamics 7th ERCOFTAC SIG 33 ‐ FLUBIO Workshop, Sta. Margherita, Ligure IT, October 2008
Kudret Baysal, Ulrich Rist
- Extraction and Visualization of Flow Features, in: W. Nitsche, C. Dobriloff (Eds.): Imaging Measurement Methods for Flow Analysis, results of the DFG priority programme 1147 "Imaging Measurement Methods for Flow Analysis" 2003‐2009, NNFM 106, Springer, 2009, 305‐314
K. Baysal, T. Schafhitzel, T. Ertl, U. Rist
- Identification and quantification of shear layer influences on the generation of vortex structures, in: A. Dillmann, G. Heller, M. Klaas, H.P. Kreplin, W. Nitsche, W. Schröder (Eds.): New Results in Numerical and Experimental Fluid Dynamics VII. NNFM xy, Contributions to the 16. STAB/DGLR‐Symposium, Aachen, Nov. 2008, Springer, 2010
K. Baysal, U. Rist
