Innovative Oberflächenstrukturen zur Beeinflussung der Impulsübertragung zwischen Fluid und Feststoff
Final Report Abstract
Im Rahmen des Projektes wurde eine experimentelle Infrastruktur (Mehrzweckströmungsgenerator mit angeschlossener Kanalsmessstrecke) geschaffen, die die genaue Vermessung von Änderungen der Reibungsverlusten in Gasströmungen auf Grundlage von Druckmessungen ermöglicht. Die Kanalmessstrecke ist so konzipiert, dass ein Vergleich mit Ergebnissen aus Direkten Numerischen Simulationen (DNS) turbulenter Strömungen sinnvoll möglich ist. Mit der Anlage wurden verschiedene Techniken der Reibungsminderung (passive Kontrolle durch strukturierte Oberflächen – Riblets; aktive Kontrolle mit oszillierenden Wände auf Grundlage von Dielastomeraktoren) erfolgreich getestet und mit DNS Daten verglichen. Die ursprünglich anvisierten Mikrostrukutren (Mikro Grooves) zur Reibungsminderung wurden mit verschiedenen Fertigungsverfahren erfolgreich hergestellt. Allerdings zeigte sich, entgegen der Erwartungen aus den Vorarbeiten, dass hiermit keine Reibungsminderung in voll entwickelten turbulenten Gasströmungen erzielt werden kann. Während die Überströmung mit Gas keine Reibungsminderung zeigt, kann diese erzielt werden, wenn die Oberflächenstrukturen mit Wasser überströmt werden. Hierbei bilden sich Lufteinschlüsse in den Mikro Grooves, die lokale Slip-Bedingungen verursachen und somit zu einer Verringerung der Reibungsverluste führen. Die Verringerung der turbulenten Dissipationsrate - das heißt der Energieverluste, die aufgrund turbulenter Fluktuationen im Geschwindigkeitsfeld besonders in Wandnähe auftreten - bildet den zentralen Punkt der theoretischen Analyse zur Reibungsminderung, der in Strömungen mit koexistierenden Bereichen laminarer und turbulenter Strömungszustände weiter untersucht wurde. Eine zentrale Erkenntnis der Arbeiten in diesem Bereich bezieht sich darauf, dass allgemeingültige Aussagen zur Änderung der Energiedissipation mit den klassischen DNS Verfahren nur schwer getroffen werden können. Die Entwicklung alternativer Vorgehensweisen in der Simulation turbulenter Strömungen ist Gegenstand von laufenden Forschungsarbeiten.
Publications
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