Hochaufgelöste numerische Simulation von turbulenzinduzierten Sekundärströmungen in offenen Kanälen mit Seitenwänden

• Antragsteller: Professor Dr. Markus Uhlmann
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 223117586

Fluidströmungen durch gerade Rohre mit rechteckigem Querschnitt weisen turbulenzinduzierte mittlere Sekundärbewegungen auf. Trotz deren geringer Amplitude ergeben sich hieraus bedeutende Konsequenzen für den Transport von Impuls, Wärme und Masse. Die entsprechende Strömung durch einen geraden Kanal mit einer freien Oberfläche und zwei Seitenwänden ist dagegen von einer unterschiedlichen Sekundärbewegung geprägt, die u.a. zu dem Phänomen führt, dass die maximale mittlere Geschwindigkeit in der axialen Richtung nicht an der freien Oberfläche zu finden ist (bei offenen Gerinnen als „dip phenomenon'' bezeichnet).Im vorliegenden Projekt soll der Mechanismus verantwortlich für die Bildung von mittlerer Sekundärbewegung in offener Kanalströmung begrenzt durch Seitenwände untersucht werden. Das charakteristische Merkmal dieser geometrischen Konfiguration ist das Auftreten von „gemischten Ecken'', gebildet aus der freien Oberfläche und den festen Berandungen. Wir werden zunächst hochaufgelöste Strömungsdaten mittels direkter numerischer Simulation mit einer pseudospektralen Methode erzeugen. Die Daten werden dann insbesondere unter dem Blickwinkel der Dynamik kohärenter Strukturen analysiert, und die Skalierung in Bezug auf die Reynoldszahl und das Seitenverhältnis des Kanalquerschnittes untersucht.Schließlich soll der Effekt der Sekundärströmung auf den Prozess des Sedimenttransportes durch numerische Verfolgung von inertialen Partikeln (im Rahmen des Punktpartikelansatzes) untersucht werden. Das vorgeschlagene Projekt wird in der Literatur existierende Wissenslücken zum Mechanismus der Ausbildung von Sekundärströmung in Konfigurationen mit „gemischten Ecken'' schließen, mit weiteren Anwendungen z.B. im Schiffbau (Grenzschicht entlang Rumpf/freie Oberfläche). Durch den Fokus dieser Studie auf kohärente Strukturen kann erwartet werden, dass die Ergebnisse die Auslegung von Strategien zur Strömungskontrolle ermöglichen werden. Eine praktische Anwendung, in der die Sekundärbewegung in gerader Kanalströmung eine zentrale Rolle spielt, ist die Ausbildung von längsgerichteten Rippen aus mobilen Sedimentpartikeln in offenen Gerinnen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen