Zeitlich und räumlich hochauflösende Wandschubspannungsmessungen mit dem Micro-Pillar-Shear-Stress-Sensor (MPS³) in Grenzschichten großer Reynoldszahl mit und ohne Druckgradient
Final Report Abstract
Erkenntnisse über die dynamischen Prozesse von turbulenten Strukturen innerhalb der Grenzschicht und der wandnahe Impulsaustausch tragen wesentlich zum Verständnis der Entstehung von Turbulenz bei. Eine genaue Kenntnis über die Wandschubspannungsverteilung trägt beispielsweise zu einer verbesserten Turbulenzmodellierung bei und erlaubt eine gezielte Anwendung von Strömungsmanipulationen zur Widerstandsreduktion. Zu Beginn des Forschungsvorhabens existierte für große Geschwindigkeitsbereiche keine Messtechnik, die die Wandschubspannung quantitativ, flächig und zeitlich hoch aufgelöst bestimmen konnte. Um diese Anforderungen zu erfüllen, wurde der MPS³ weiterentwickelt, so dass er in vollturbulenten Grenzschichtströmungen ohne Druckgradient sowie gering positivem Druckgradient bei höheren Reynoldszahlen eingesetzt werden kann. Zunächst wurde eine alternative Herstellungsmethode implementiert, mit der sich großflächige Sensoren fertigen lassen. Eine damit verbundene Optimierung der geometrischen Abmessungen eines Pillars führte zu höheren Eigenfrequenzen, so dass sich das mit dem MPS³ erfassbare Frequenzspektrum erweiterte. Eine Untersuchung des Messfehlers in Abhängigkeit von der Pillarlänge zeigte, dass über die viskose Unterschicht herausragende Pillars die Wandschubspannungsverteilung mit gleichbleibender Messgenauigkeit bestimmen können, sofern für die mit inneren Wandeinheiten normierte Pillarlänge Lp+ ≤ 8 gilt. Durch diese Erkenntnisse konnte der Einsatzbereich des MPS³ ebenfalls vergrößert werden, da die geringe Höhe der viskosen Unterschicht bei hohen Reynoldszahlen ursprünglich dessen Einsetzbarkeit limitiert hatte. Die im Rahmen des Projektes erfolgreich durchgeführten Wandschubspannungsmessungen mit dem MPS³ in einer vollturbulenten Plattengrenzschicht ohne Druckgradient und mit gering positivem Druckgradient bestätigten die Weiterentwicklung des MPS³. Die gemessenen Strömungsgrößen zeigten eine gute Übereinstimmung mit Referenzmessungen mittels Hitzdrahtanemometrie und PIV sowie in der Literatur hinterlegten Daten. Unter Verwendung der Taylor-Hypothese konnte die Wandschubspannungsverteilung über einen großen Bereich in Strömungsrichtung dargestellt werden und zeigte große Gebiete geringer Scherrate, die nur gelegentlich von hoher Scherung unterbrochen wurden. Dieser Zustand wurde ebenfalls in den Momenten höherer Ordnung sichtbar. Diese zeigten reduzierte Werte in Gegenwart des positiven Druckgradienten und implizieren dadurch eine geringere Anzahl und Stärke der Events hoher Scherung im Vergleich zum Strömungsfall ohne Druckgradient. Die erfolgreiche Weiterentwicklung des MPS³ und sein damit vergrößertes Einsatzgebiet eröffnen zahlreiche Möglichkeiten, die Erkenntnisse über turbulente Strukturen, deren Dynamik und Interaktion durch die Messung der flächigen Wandschubspannungsverteilung zu verbessern. Der MPS³ stellt eine wertvolle Ergänzung im Bereich der Messtechnik dar und sein Potential sollte in Zukunft stetig an die vielfältigen Anforderungen der Turbulenzforschung angepasst werden.
Publications
- “Improvement of the measurement range of the micro-pillar shear-stress sensor MPS³”, AIAA 2012-301, 2012
B. Nottebrock, M. Klaas und W. Schröder
- “Measurement of turbulent wall shear-stress using micro-pillars”, Measurement Science and Technology, 24:124002, 2013
E. P. Gnanamanickam, B. Nottebrock, S. Große, J. P. Sullivan und W. Schröder
- “Wall-shear stress measurements in an adverse pressure gradient turbulent boundary layer”, AIAA 2014-2098, 2014
B. Nottebrock, K. J. Geurts und W. Schröder
(See online at https://doi.org/10.2514/6.2014-2098) - Advancements in the Measurement Regime of the Micro-Pillar Shear-Stress Sensor, Dissertation, Aerodynamisches Institut, RWTH Aachen, Shaker Verlag, 2015
B. Nottebrock
