Untersuchungen zur Entstehung turbulenter Superstrukturen in einer Platten-Grenzschicht mit Druckgradient

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Ulrich Rist
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 316161270

Dieser Beitrag befasst sich mit der numerischen Simulation und Analyse turbulenter Wand-Grenzschichten ohne und mit Druckgradient in Strömungsrichtung. Um die Entstehung turbulenter Superstrukturen nicht negativ zu beeinflussen, werden lange Integrationsgebiete in Strömungsrichtung verwendet und Turbulenz durch laminar-turbulente Transition im Integrationsgebiet erzeugt, so wie dies Schlatter et al. (2009) erfolgreich vorgeführt haben. Dies hat den entscheidenden Vorteil, dass Anfangsstörungen, die nicht mit der Nichtlinearität der Navier-Stokes-Gleichungen kompatibel sind, sehr klein bleiben und so das Ergebnis nicht unzulässig beeinflussen. Die Simulationen sollen bis zu möglichst hohen Reynoldszahlen oberhalb Re_Theta = 5000 durchgeführt werden, wobei Theta die Impulsverlustdicke bezeichnet. Unter dem Einfluss eines positiven Druckgradienten wird das Maximum der Turbulenzproduktion von der Wand weg in den wandfernen Bereich wandern, ähnlich wie bei einer Erhöhung der Reynoldszahl. Daher soll der Druckgradient dazu benutzt werden, die Vorgänge in Strömungsrichtung rascher ablaufen zu lassen, so dass die Bildung großskaliger Superstrukturen leichter beobachtet werden kann. Unterschiedliche Mechanismen im wandnahen und im wandfernen Bereich können dann über die geeignete Wahl des Druckgradienten voneinander separiert, getrennt betrachtet und dann auch in ihrer Interaktion studiert werden. Zur Detektion und Verfolgung der in den Simulationsergebnissen enthaltenen Superstrukturen sollen geeignete Verfahren gefunden und erprobt werden. Die so detektierten Strukturen können dann bei Re_Theta=const mit Eigenfunktionen linearer Stabilitätstheorie und Ergebnissen linearisierter Navier-Stokes-Gleichungen verglichen werden, die auf der Basis der Reynolds-gemittelten lokalen Strömung oder gefilterter Strömungsfelder erhalten werden. Dieser Vergleich soll prüfen, ob turbulente Großstrukturen durch lokale Instabilität erklärt, modelliert und vorhergesagt werden können. Auch die These, wonach Superstrukturen weiter stromauf entstehen und dann mit der Strömung weitergetragen werden, wird durch Auswertung der Daten aus der Strukturverfolgung untersucht. Die vorliegenden direkten numerischen Simulationen ergänzen experimentelle Untersuchungen im DFG-Schwerpunktprogramm 1881 und liefern zusätzliche Daten und Verständnis zum Studium der Mechanismen, trotz ihrer Beschränkung auf kleinere Reynoldszahlen im Vergleich zu den meisten Experimenten. Dies erlaubt zusätzliche Einblicke in die Strömung und theoretische Untersuchungen sowohl aktueller als auch neuer Hypothesen, die im Laufe des Schwerpunktprogramms entstehen können. Zusammenarbeit mit allen Partnern, die sich mit Grenzschichtströmungen befassen ist möglich und angestrebt, sobald die endgültige Struktur des Schwerpunktprogramms festgelegt ist. Material zur Vorbereitung der Anträge wurde bereits ausgetauscht. Bereits identifizierte Kooperationen werden im Arbeitsprogramm beschrieben.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1881: Turbulent Superstructures