Beeinflussung wandgebundener
Strömungen mit aktiven Methoden
Per Christian Steimle
Promotionsvortrag
12. Oktober 2009
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Übersicht
Realisierung aktiver Widerstandsreduktion
(i) Vergleich aktiver Methoden hinsichtlich hoher Reynoldszahl
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reduziert Oberflächenreibung im Wasser
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Senckenberg, Frankfurt am Main]
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Rippenstrukturierung einer 
Oberfläche unter dem Raster‐
elektronenmikroskop.
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Definition aktiver Methoden
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Übersicht
Aktive Beeinflussung
turbulenter Grenzschichten
(i) Dynamische Strukturen in turbulenten Grenzschichten
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Direkte Numerische 
Simulation einer 
turbulenten Grenzschicht 
über einer Platte ohne 
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Konzeptioneller Zyklus 
turbulenter Strukturen 
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auf eine Struktur.
[Hinze, J. O. (1975) Turbulen...
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Entstehung von longitudinalen Wirbelstrukturen ωx aus Streak‐Instabilitäten.
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Aktive Methoden der Beeinflussung:
Direkte Ansteuerung von turbulenten Ereignissen
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Ansteuerung definiert im Fourier‐Raum, so dass
ortsfeste Information über einen Zeitabschnitt be‐
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Aktive Methoden der Beeinflussung:
Direkte Ansteuerung von turbulenten Ereignissen
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Mittlere spannweitige
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Gleichrichtung des wandnahen Strömungsfelds durch gegensinnig rotierende 2D‐Längswirbel in 
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Visualisierung wandnaher Strukturen bei spannweitiger Oberflächenoszillation.
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Aktive Methoden der Beeinflussung:
Indirekte Veränderung turbulenter Strukturen
Geschwindigkeitsvektoren und Fluktuatio...
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Turbulentes Grenzschichtprofil über spannweitig oszillierender Wand.
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Aktive Methoden der Beeinflussung:
Indirekte Veränderung turbulenter Strukturen
Fortschreitende
transversale
Wellenanre...
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Instant. Verteilung 
der u‐Komponente 
aus DNS für turb. 
Kanalströmung.
[Du, Y., Karniadakis, G. E. 
(2000) Science 28...
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Niedergeschwin‐
digkeitsband
Verteilung der instantanen Geschwindigkeit und Wirbelstärke in Strömungsrichtung im 
Absta...
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Zeitlicher Verlauf der normierten Widerstandskraft für Beeinflussung mit 
einer transversalen Oberflächenwelle mit λz
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Realisierung aktiver Widerstandsreduktion
(i) Vergleich aktiver Methoden hinsichtlich hoher Reynoldszahl
(ii) Verbleibe...
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Aktive Beeinflussung bei hoher Reynoldszahl
Fußabdruck von Superstrukturen an der Wand gemessen mit Wandschubspannungss...
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Grobe Abschätzung von Raum‐Zeit‐Skalen kohärenter Strukturen.
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Sensor/Aktuatordichte 
für Widerstands‐
reduktion an einem 
Flugzeug im Reiseflug 
(M=0,77) etwa 10...
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Mittlere wandnahe Sekundärströmung 
induziert durch transversale 
Oberflächenwelle, λz
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x+
z+
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λ z
+
Offene Fragestellu...
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[Davidson, P. A. (2004) Turbulence – An Introduction for Scientists and Engineers. Oxford Univ. Press]
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  1. 1. Beeinflussung wandgebundener Strömungen mit aktiven Methoden Per Christian Steimle Promotionsvortrag 12. Oktober 2009 [Davidson, P. A. (2004) Turbulence – An Introduction for Scientists and Engineers. Oxford Univ. Press]
  2. 2. 2 Übersicht Realisierung aktiver Widerstandsreduktion (i) Vergleich aktiver Methoden hinsichtlich hoher Reynoldszahl (ii) Verbleibende Fragestellungen Motivation zur Widerstandsreduktion Gegenüberstellung aktiver und passiver Methoden Aktive Beeinflussung turbulenter Grenzschichten (i) Dynamische Strukturen in turbulenten Grenzschichten (ii) Aktive Methoden der Widerstandsreduktion
  3. 3. 3 Der größte Anteil des  Widerstands steht im  Zusammenhang mit  Reibung an ihrer  Außenhaut (etwa 55%) Auftriebs‐ induzierter Widerstand Interferenzwiderstand Wellenwiderstand Sonstiger Widerstand Reibungs­ widerstand 0% 20% 40% 60% 80% 100% Zusammensetzung des Gesamtwiderstands eines modernen Verkehrsflug‐ zeugs. [Schrauf, G., Gölling, B., Wood, N. KATnet – Key Aerodynamic Technologies for Aircraft Performance  Improvement. 5th Community Aeronautical Days, Wien, 2006] Motivation zur aktiven  Widerstandsreduktion Beispiel A340 widerstandsreduziert: Treibstoffeinsparung etwa 3%  Gesamtkostenersparnis etwa 1% Reduktion der Treibstoffmenge von 80t auf 77,6t/Flug Mitnahme von zusätzlichen 15 Passagieren möglich Theoretischer Gewinn von etwa 1 Mio $/Jahr
  4. 4. 4 1990 2000 2020 2030 2040 2050 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 Jahr CO2­Emission [109t/Jahr] 2010 Entwicklung der Kohlendioxidemissionen des  weltweiten Flugverkehrs. [International Panel on Climate Change, 2007] Wesentliche ingenieurwissenschaftliche  Herausforderung ist Reduktion der  Umwelteinflüsse technischer Prozesse Vorraussetzung für nachhaltige Wirtschafts‐ entwicklung ist bedeutende Steigerung der  Effizienz von Verkehrsträgern Umwelt ACARE formuliert Ziele zur Reduktion von  Emissionen des Luftverkehrs bis zum Jahr 2020 50% CO2 im Vergleich zum Jahr 2000 80% NOX zu ICAO CAEP/2‐Grenzwerten Halbierung des Fluglärms im Vergleich zum Jahr 2000 Entwicklung des Kerosinpreises [US Energy Information Administration, 2009] 1995 2000 2005 200919901985 1 2 3 4 5 Kerosinpreis [$/Gallone] Jahr Wirtschaftlichkeit 17% Anteil des Treibstoffs an direkten  Betriebskosten bei 0,60 $/US‐Gallone Kerosin 38% Anteil bei 1,80 $/US‐Gallone Kerosin Kerosinpreis Juni 2008 bis zu 4,325 $/US‐Gallone Treibstoffverbrauch wird zu einer immer  wichtiger werdenden Einflussgröße auf den  ökonomischen Betrieb von Luftfahrzeugen Motivation zur aktiven  Widerstandsreduktion
  5. 5. 5 Schleimabsonderung der Fischhaut  reduziert Oberflächenreibung im Wasser [Hoyt, J. W. (1975) Hydrodynamic drag reduction due to fish slimes.  In: Wu, T. Y. T., Brokaw, C. J., Brennen, C. (Ed.) Swimming and flying in Nature, Vol. 2. Plenum, New York, USA] Verwendung dieses Prinzips zur  Verminderung der Pumpleistung für  Alaska‐Pipeline um etwa 30% durch  Zugabe einer ähnlichen Substanz zum  Rohöl [Motier, J. F., Carrier, A. M. (1989) Recent studies on polymer drag  reduction in commercial pipelines. In: Sellin, R. H. J., Moses, R. T.  (Ed.) Drag reduction in fluid flows: techniques for friction control.  Ellis Horwood, Chichester, UK] Verlauf der Alaska Pipeline.   [http://www.pbs.org/wgbh/amex/pipeline/map/index.html] Großer Barrakuda (Sphyraena barracuda).   [Department of Chemistry and Biochemistry, California State University] Motivation zur aktiven  Widerstandsreduktion
  6. 6. 6 Haifischhaut. [Reif, W.‐E. (1985) Courier Forschungs‐Institut  Senckenberg, Frankfurt am Main] Ribletabstand s+ Widerstandsverminderung [%] s η ρ ρ τ s ν u s wτ   ==+ 0 4 8 12 16 20 24 28 0 -2 -4 -6 -8 -10 s 60° s s Reduktion turbulenten Reibungswiderstands durch Rippenstruktur der  Oberfläche. [Bechert, D. W., Bruse, M., Hage, W., van der Hoeven, J. G. T., Hoppe, G (1997) J. Fluid Mech. 338 59] Wirksamkeit passiver Methoden zur Beeinflussung  wandgebundener Strömungen begrenzt auf  Auslegungsbereich Künstliche dreidimensionale  Rippenstruktur einer Oberfläche. [Bechert, D. W., Bruse, M., Hage, W., Meyer, R.  (2000) Naturwissenschaften 87 157] Strömungsrichtung Motivation zur aktiven  Widerstandsreduktion
  7. 7. 7 Rippenstrukturierung einer  Oberfläche unter dem Raster‐ elektronenmikroskop. [Inst. Bildsame Formgebung, RWTH Aachen] s Motivation für aktive Grenzschichtbeeinflussung ist Verbesserung der Wirksamkeit von  passiven Maßnahmen durch Anpassung an lokale Strömungsbedingungen Mechanismen einer aktiven und passiven Beeinflussung können ähnlich sein Motivation zur aktiven  Widerstandsreduktion 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0 10 20 30 40 50 60 Länge [m] Rippenabstand s [mm] 16==+ s ν u s τ Optimaler Rippenabstand als Funktion der Lauflänge für ein  Verkehrsflugzeug. Stufenprofil
  8. 8. 8 Definition aktiver Methoden Lokale Absaugung oder Ausblasung Lokale Wandbewegungen Elektromagnetische Kräfte in Wandnähe Absaugöffnungen zur aktiven Grenzschicht‐ beeinflussung an einem Testflügel. [NASA Dryden Flight Research Center EC95 43286‐1] Dynamische lokale Wanddeformation zur  Beeinflussung von Grenzschichtstrukturen. [Kang, S., Choi, H. (2000) Phys. Fluids 12 (12) 3301] Beeinflussung mit einer Anordnung von Elektro‐ magneten unterschiedlicher Polung. [Du, Y., Karniadakis, G. E. (2000) Science 288 1230] Aktive Beeinflussung = Einleiten  einer zeitabhängigen Zwangs­ bedingung in Wandnähe negative Ladung positive Ladung
  9. 9. 9 10 5 10 6 10 7 10 8 10 9 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 x 10 ‐3 Rex Reibungsbeiwert Transition Zunahme des Reibungsbeiwerts durch laminar‐turbulen‐ te Transition der Grenzschicht [Schlichting, H., Gersten, K. (2006) Grenzschichttheorie. 10. Aufl., Springer, Berlin] Laminare Grenzschicht Turbulente Grenzschicht Anwendung von  Laminarhaltung [Joslin, R. D. (1998)  Overview of Laminar Flow Control. NASA/TP‐ 1998‐208705] Bisherige aktive Methoden zur Widerstandsverringerung konzentrieren sich auf Verhinderung  von Turbulenz durch Laminarhaltung der Grenzschicht Größter Teil der Oberfläche von Flugzeugen dennoch turbulenter Grenzschicht ausgesetzt! Definition aktiver Methoden
  10. 10. 10 Übersicht Aktive Beeinflussung turbulenter Grenzschichten (i) Dynamische Strukturen in turbulenten Grenzschichten (ii) Aktive Methoden der Widerstandsreduktion Motivation zur Widerstandsreduktion Gegenüberstellung aktiver und passiver Methoden
  11. 11. 11 Visualisierung großskaliger Wirbelstrukturen in einer turbulenten Grenzschicht in der x–y‐Ebene. [Davidson, P. A. (2004) Turbulence – An Introduction for Scientists and Engineers. Oxford Univ. Press] U Visualisierung großskaliger Wirbelstrukturen in einer turbulenten Grenzschicht in der x–z‐Ebene. [Karniadakis, G. E., Choi, K.‐S. (2003) Annu. Rev. Fluid Mech. 35 45] x y x z U Dynamische Strukturen in turbulenten Grenzschichten
  12. 12. 12 Direkte Numerische  Simulation einer  turbulenten Grenzschicht  über einer Platte ohne  Druckgradient. [Wu, X. & Moin, P. (2009) J. Fluid  Mech. 630 5]  U 4600 4800 5000 x+ x ρ τ ν x ν u x wτ 1==+ Dynamische Strukturen in turbulenten Grenzschichten
  13. 13. 13 Ungestörte mittlere  Strömung Kleine Störung und Streckung  eines Wirbelfadens Streckung zum  Haarnadelwirbel x z y ωz ωz ωz u‘ > 0 v‘ < 0u‘ < 0 v‘ > 0〈u(y)〉 u̕ u‘ < 0 Mittlere spannweitige Wirbelstärke ωz < 0 in Wandnähe (Haftbedingung) Streckung und Stauchung von  spannweitigen Wirbelfäden durch  Geschwindigkeitsfluktuationen Lange Gebiete niedriger Geschwindigkeit  u̕ < 0 (Low Speed Streak) Gebiete hoher Geschwindigkeit u̕ > 0 in  Wandnähe (High Speed Sweep)Störung des Wirbelfadens durch  longitudinales Wirbelpaar ωz x z y ω x < 0 ω x > 0 u‘ < 0 Longitudinalwirbel Low­Speed­Streak λ+ /2 ≈ 50 z Sweep [Davidson, P. A. (2004) Turbulence – An Introduction for Scientists and Engineers. Oxford Univ. Press]  Wirbelpaare in Strömungsrichtung Dynamische Strukturen in turbulenten Grenzschichten
  14. 14. 14 500 1000 1500 2000 x+ 0 z+ 0 800 600 400 200 Instantane u‐Komponente  aus DNS einer  turbulenten  Kanalströmung. [Du, Y., Karniadakis, G.  E. (2000) Science 288 1230] Sweep Low­Speed­ Streak Enge Korrelation zwischen Low­Speed­Streaks, Sweeps und Longitudinalwirbeln Advektion von Fluid durch Longitudinalwirbel führt zu Geschwindigkeits‐Streaks [Jimenéz, J., Pinelli, A. (1999) J. Fluid Mech. 389 335] Geschwindigkeits‐Streaks und Wirbel in Strömungsrichtung sind dominante Strukturen des  wandnahen Bereichs Longitudinales Wirbelpaar in Korrelation mit Streak‐ Ereignissen [Kim, J. (2003) Phys. Fluids 15 (5)  1093]z+ y+ Dynamische Strukturen in turbulenten Grenzschichten
  15. 15. 15 Konzeptioneller Zyklus  turbulenter Strukturen  in Wandnähe reduziert  auf eine Struktur. [Hinze, J. O. (1975) Turbulence.  McGraw‐Hill, New York, USA, 2. Ausgabe] x z+ y+ 80 40  λ x ≈ 4δ z u  u Ejection Burst Ω­wirbel Ejection: Aufwärtsinduktion langsamen Fluids (u‘,v‘)2 Sweep: Abwärtsinduktion (u̕,v̕)4 von Fluid mit großer  kinetischer Energie Low­Speed­Streak: (u̕,v’)3 ‐ Induktion Produktion von  turbulenter  Schubspannung in der Region y+ ≥ 12 durch Q2‐ Ereignisse Q4‐Ereignisse  dominieren Reynolds‐ Spannungen in  Wandnähe ω z < 0 mittlere Geschwindigkeit instantane Geschwindigkeit starke Scherung hohe Geschwindigkeit Low Speed Streak λ+ ≈ 100 u̕ v’ 1 3 2 4 Dynamische Strukturen in turbulenten Grenzschichten Sweep
  16. 16. 16 Entstehung von longitudinalen Wirbelstrukturen ωx aus Streak‐Instabilitäten. [Schoppa, W, Hussain, F. (2002) J. Fluid Mech. 453 57] ωz 2. Anwachsen einer  Querinstabilität ωx > 0 ωz ω z ωx < 0 3. Zerfall in  gegensinnige  ωx­Wirbel z y x ωz w̕ 1. Störung in Transversal­ richtung Low Speed Streak Dynamische Strukturen in turbulenten Grenzschichten
  17. 17. 17 Haftbedingung Mittlere spannweitige Wirbelstärke ωz < 0 Lokale Stauchung des Wirbelfadens ωz Lokale Streckung des Wirbelfadens ωz Anheben des Wirbel‐ fadens, Ω‐Wirbel Weitere Ω‐Wirbel Längswirbel ωx Sweep u̕ > 0 Low­Speed­ Streak u̕ < 0 Ejection BurstAbsinken des Wirbel‐ fadens ωz Zunahme ωzAbnahme ωz Q2 Q4Q3 0< ∂ ′∂ z w 0> ∂ ′∂ z w Instabilitäten Streak‐Zyklus Vereinfachtes Übersichtsmodell zur Selbsterhaltung turbulenter Strukturen. Sweep‐ und Ejection‐ Ereignisse produzieren  ~80% der Turbulenz‐ energie Sweep‐Ereignisse primär verantwortlich  für Entstehung  turbulenter  Wandschubspannung [Choi 1989, Kravchenko et al.  1993, Orlandi & Jiménez 1994] ωz x z y ω x < 0 ω x > 0 u‘ < 0 u‘ > 0 Dynamische Strukturen in turbulenten Grenzschichten
  18. 18. 18 Haftbedingung Mittlere spannweitige Wirbelstärke ωz < 0 Lokale Stauchung des Wirbelfadens ωz Lokale Streckung des Wirbelfadens ωz Anheben des Wirbel‐ fadens, Ω‐Wirbel Weitere Ω‐Wirbel Längswirbel ωx Sweep u̕ > 0 Low­Speed­ Streak u̕ < 0 Ejection BurstAbsinken des Wirbel‐ fadens ωz Zunahme ωzAbnahme ωz Q2 Q4Q3 0< ∂ ′∂ z w 0> ∂ ′∂ z w Vereinfachtes Übersichtsmodell zur Selbsterhaltung turbulenter Strukturen. ωz x z y ω x < 0 ω x > 0 u‘ < 0 u‘ > 0 Instabilitäten Direkte Ansteuerung Dynamische Strukturen in turbulenten Grenzschichten Indirekte Veränderung turbulenter Strukturen Streak‐Zyklus
  19. 19. 19 25% Reduktion der Wandschubspannung durch  Unterdrückung der Sweep‐ und Ejection‐Ereignisse Aktive Methoden der Beeinflussung: Direkte Ansteuerung von turbulenten Ereignissen Druckgradient für konstanten Massenstrom der turbulenten  Kanalströmung bei v‐Ansteuerung [Choi, H., Moin, P., Kim, J. (1994) J. Fluid Mech. 262 75] ωx Ausblasung Absaugung v ­v Sensor‐ ebene ys + ≠ 0 v‐Ansteuerung z y ωx Ausblasung w ys + w‐Ansteuerung z y 〈u〉‐Komponente der Geschwindigkeit während eines  Sweeps im Abstand x+ = 14 stromab des Aktuators. [Rebbeck, H., Choi, K.‐S. (2006) Phys. Fluids 18 035103] 0 50‐50 0 10 20 0 10 20 0 50‐50 ‐3 ‐2 ‐1 0 1 2 3 ‐3 ‐2 ‐1 0 1 2 3 y+ z+ y+ ohne Beeinflussung mit Ansteuerung Sweep Sweep virtuelle Wand Idee einer direkten Ansteuerung von  Sweep‐Ereignissen. [Choi, H., Moin, P., Kim, J. (1994) J. Fluid Mech. 262 75]
  20. 20. 20 Aktive Methoden der Beeinflussung: Direkte Ansteuerung von turbulenten Ereignissen Korrelation zwischen  messbarer Strömungs‐ information an Wand  und Längswirbeln bei  y+ ≈ 10 ... 50? Reale Umsetzung der  gegenphasigen Ansteuerung nur mit  geeignetem Kriterium  zur Detektion von  Sweep‐Ereignissen aus  Informationen an der  Wand möglich Kombinierte Wahrscheinlichkeits‐ dichte von gw und v bei y+ = 10. [Choi, H. et al. (1994) J. Fluid Mech. 262 75] w w y w z g ∂ ∂ ∂ ∂= RMSg gw 10RMS =+ y v v w w z p v ∂ ∂ ∝ ˆ ˆ w w y w z v ∂ ∂ ∂ ∂∝ ˆˆVorgabe zur Ansteuerung [Lee, C., Kim, J., Choi, H. (1998) J. Fluid Mech. 358 245] ωx vw z y + ­ Induziertes Druckfeld im  Nahbereich eines Längswirbels. [Lee, C., et al. (1998) J. Fluid Mech. 358 245] Messgröße w w y wηzτ ∂ ′∂=′ )( )(zpw ′
  21. 21. 21 Ansteuerung definiert im Fourier‐Raum, so dass ortsfeste Information über einen Zeitabschnitt be‐ nötigt wird Verwendung von mehreren Sensoren gleichzeitig, um Gradientenbildung zu ermöglichen Vernetzung notwendig, z. B. über Künstliches Neuronales Netzwerk (KNN) [Kim, J. (2003) Phys. Fluids 15 (4) 1093 |  Lee, C., Kim., J., Babcock, D., Goodman, R. (1997) Phys. Fluids 9 (6) 1740] Aufbau einer Grenzschichtregelung mit künstlichem  neuronalem Netz. [Lee, C., Kim, J., Babcock, D., Goodman, R. (1997) Phys. Fluids 9 (6) 1740] Fehler‐ modell Reduktion der Wandschubspannung mit NN. [Kim, J. (2003) Phys. Fluids 15 (5) 1094] x+ z+ z+ ohne Beeinflussung Regelung mit KNN Aktive Methoden der Beeinflussung: Direkte Ansteuerung von turbulenten Ereignissen w w z p v ∂ ∂ ∝ ˆ ˆ w w y w z v ∂ ∂ ∂ ∂∝ ˆˆ Vorgaben zur Ansteuerung [Lee et al. 1998] N‐S KNN Aktuierung an der Wand Informationen an der Wand Kopie Inverses Modell KNN
  22. 22. 22 Aktive Methoden der Beeinflussung: Direkte Ansteuerung von turbulenten Ereignissen Seitliche Verlagerung von Sweeps durch dynamischen Erhebung der Oberfläche um y+ ≈ 10, Reduktion der Meanderbewegung [Carlson, H. A., Lumley J. L. (1996) J. Fluid Mech. 329 341] Widerstandsreduktion 17% bei Ansteuerung über grobmaschiges Sensor–Aktuator– Netz mit  rückgeführter Regelung [Endo et al. (2000)] Modell meandernder Low­Speed­Streaks. [Endo, T., Kasagi, N., Suzuki, Y. (2000) Int. J. Heat Fluid Flow 21 568] E1 E3 E2 E4 x z Sweep Sweep Low­Speed­Streak ωx ωx Beeinflussung wandnaher Strukturen mit dynamischer  Wanderhebung. [Endo, T., Kasagi, N., Suzuki, Y. (2000) Int. J. Heat Fluid Flow 21 568] 12.3 ν/uτ 172 ν/uτ 30 ν/uτ60 ν/uτ 60 ν/uτ x z vm Sensor dynamische Erhebung 0    0   :0 < ∂ ∂ ∧> ∂ ∂ =+ z τ z τ y wu E1 w u y uτ + + + ∂ ′∂= w w y wτ + + + ∂ ′∂=
  23. 23. 23 Haftbedingung Mittlere spannweitige Wirbelstärke ωz < 0 Lokale Stauchung des Wirbelfadens ωz Lokale Streckung des Wirbelfadens ωz Anheben des Wirbel‐ fadens, Ω‐Wirbel Weitere Ω‐Wirbel Längswirbel ωx Sweep u̕ > 0 Low­Speed­ Streak u̕ < 0 Ejection BurstAbsinken des Wirbel‐ fadens ωz Zunahme ωzAbnahme ωz Q2 Q4Q3 0< ∂ ′∂ z w 0> ∂ ′∂ z wInstabilitäten Streak­Zyklus Aktive Methoden der Beeinflussung Vereinfachtes Übersichtsmodell zur Selbsterhaltung turbulenter Strukturen. ωz x z y ω x < 0 ω x > 0 u‘ < 0 u‘ > 0 Indirekte Veränderung turbulenter Strukturen
  24. 24. 24 Gleichrichtung des wandnahen Strömungsfelds durch gegensinnig rotierende 2D‐Längswirbel in  Strömungsrichtung  Allgemeine Dämpfung von Streak‐Meandern, so dass Entstehung neuer Längswirbel ωx durch  Streak‐Instabilität reduziert wird     [Schoppa & Hussain 1998] Unterbrechung des wandnahen Regenerationszyklus von Longitudinalwirbeln kann zu  einer Widerstandsreduktion von 20 – 50% führen! Aktive Methoden der Beeinflussung: Indirekte Veränderung turbulenter Strukturen Veränderung wandnaher Strukturen durch großskalige Beeinflussung ohne Wandinformation. [Schoppa, W., Hussain, F. (1998) Phys. Fluids 10 (5) 1049] u ohne Beeinflussung Wirbelsteuerung ohne Beeinflussung Wirbelsteuerung y zπ 2π0 ωx u ωx
  25. 25. 25 Visualisierung wandnaher Strukturen bei spannweitiger Oberflächenoszillation. [Choi, K.‐S., DeBisshop, J.‐R., Clayton, B. R. (1998) AIAA J. 36 (7) 1157]  Zusätzlicher Wirbelvektor in Strömungsrichtung infolge eingeführter Stokes‐Schicht Entstehung zusätzlicher Wirbelkomponente  ωz < 0 durch Ablenkung der wandnahen Stromlinien  und Verdrehung der wandnahen x‐Wirbelschicht [Choi et al. 1998 | Karniadakis, G. E., Choi, K.‐S. (2003) Annu. Rev. Fluid Mech. 35 45 | Zhou, D., Ball, K. S. (2006) AIAA‐Paper 2006‐4579] w+ < 0 ωOsz w+ > 0 ωOsz U = 1,5m/s w+ < 0 w+ > 0 ωOsz ωOsz w+ < 0 ωOsz ωOsz w+ > 0UU = 1.5m/s w+ < 0 w+ > 0 ωOsz ωOsz Aktive Methoden der Beeinflussung: Indirekte Veränderung turbulenter Strukturen x+ y+ z+ Fz U Harmonische transversale Anregung [Jung et al. (1992) Phys. Fluids A 4 (8) 1605]
  26. 26. 26 Aktive Methoden der Beeinflussung: Indirekte Veränderung turbulenter Strukturen Geschwindigkeitsvektoren und Fluktuation der Längswirbelstärke aus DNS für unbeeinflusste  turbulente Kanalströmung und spannweitige Wandoszillation. [Zhou, D., Ball, K. S. (2006) AIAA‐Paper 2006‐4579]  0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0 π 50 ‐50 y/h 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0 π z/h 50 ‐50 y/h 0 xω xω Ohne  Beeinflussung Harmonische  transversale  Anregung x+ y+ z+ Fz U Periodische Stokes‐Schicht an der oszillierenden Oberfläche  ist Quelle für ±ωx Seitliche Verschiebung der Streaks relativ zu Longitudinal‐ wirbeln stört Regenerationszyklus für ωx
  27. 27. 27 Turbulentes Grenzschichtprofil über spannweitig oszillierender Wand. [Di Cicca, G. M., Iuso, G., Spazzini, P. G., Onorato, M. (2002) J. Fluid Mech. 467 41] Grenzschichtbeeinflussung  durch Wirbelvektor am  Rand der viskosen Unter‐ schicht. [Choi, K. S. (2002) Phys. Fluids 14 (7)  2530] Reduktion des mittleren Geschwindigkeitsgradienten an der Wand [Jung et al. 1992, Laadhari et al. 1994, Di Cicca et al. 2002] Erhöhung der mittleren Geschwindigkeit in logarithmischer Region [Di Cicca et al. 2002, Choi et al. 2002] U(y) ωOsz < 0z Aktive Methoden der Beeinflussung: Indirekte Veränderung turbulenter Strukturen Ohne Beeinflussung Ohne Beeinflussung [De Graaf & Eaton 2000] Oszillation; uτ kanonische GS Oszillation 100 1000101 0 5 10 15 20 25 y+ u+ x+ y+ z+ Fz U
  28. 28. 28 Aktive Methoden der Beeinflussung: Indirekte Veränderung turbulenter Strukturen Fortschreitende transversale Wellenanregung [Du & Karniadakis 2000] x+ y+ z+ Fz U Fz Zeit z+ x+ Sekundärströmung erzeugt  durch fortschreitende  transversale Lorentzkräfte. [Du, Y., Karniadakis, G. E. (2000) Science 288 1230] negative Ladung positive Ladung w̕ > 0 w̕ < 0 spannweitige Wellenlänge
  29. 29. 29 Instant. Verteilung  der u‐Komponente  aus DNS für turb.  Kanalströmung. [Du, Y., Karniadakis, G. E.  (2000) Science 288 1230]500 0 1000 1500 2000 800 600 400 200 0 z+ x+ 800 600 400 200 0 z+ Sweep Low­Speed­ Streak Fortschreitende  transversale  Lorentzkräfte ohne Beeinflussung Aktive Methoden der Beeinflussung: Indirekte Veränderung turbulenter Strukturen
  30. 30. 30 Niedergeschwin‐ digkeitsband Verteilung der instantanen Geschwindigkeit und Wirbelstärke in Strömungsrichtung im  Abstand y+ = 4 von der Wand, Anregung mit transversalen Oberflächenwellen. [Karniadakis, G. E., Choi, K.‐S. (2003) Annu. Rev. Fluid Mech. 35 45] 5000 1000 1500 2000 800 700 600 500 400 300 200 100 0 5000 1000 1500 2000 800 700 600 500 400 300 200 100 0 x+ z+z+ Max. Knoten Min. Knoten Max. Knoten Min. Knoten u ωx Stabilisierung  wandnaher Streak‐Strukturen  durch Reduktion  der Meander‐ bewegung Abschwächung der  Turbulenz‐ produktion durch  Störung des wand‐ nahen Zyklus Aktive Methoden der Beeinflussung: Indirekte Veränderung turbulenter Strukturen
  31. 31. 31 Zeitlicher Verlauf der normierten Widerstandskraft für Beeinflussung mit  einer transversalen Oberflächenwelle mit λz + = 840 und I ∙ T+ ∙ Δ = 1. [Karniadakis, G. E., Choi, K.‐S. (2003) Annu. Rev. Fluid Mech. 35 45] 50 t+ 100 1500 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 Normierter Widerstand ohne Beeinflussung I = 0.25, T+ = 100, Δ = 0.04 I = 1, T+ = 50, Δ = 0.02 I = 0.5, T+ = 50, Δ = 0.04 I ∙ T+ ∙ Δ = C Widerstandsreduktion wird  bestimmt durch invariantes  Parameterprodukt I ∙ T+ ∙ Δ = C Aufgabe ist Finden der  optimaler Wellenparameter  für maximale Widerstands‐ reduktion Auch Widerstandserhöhung  durch diese Methode  möglich, z. B. bei zu kleiner  Frequenz Amplitude Wirkungslänge Schwingungsdauer T+ = T uτ 2/ν C = 1 für Reτ = 150 Aktive Methoden der Beeinflussung: Indirekte Veränderung turbulenter Strukturen x+ y+ z+ Fz U
  32. 32. 32 Realisierung aktiver Widerstandsreduktion (i) Vergleich aktiver Methoden hinsichtlich hoher Reynoldszahl (ii) Verbleibende Fragestellungen Aktive Beeinflussung turbulenter Grenzschichten (i) Dynamische Strukturen in turbulenten Grenzschichten (ii) Aktive Methoden der Widerstandsreduktion
  33. 33. 33 Aktive Beeinflussung bei hoher Reynoldszahl Fußabdruck von Superstrukturen an der Wand gemessen mit Wandschubspannungssensor MPS3. [Große, S., Schröder, W. (2009) AIAA J. 47 (2) 314] 500 1000 1500 2000 x+ 0 0 50 ‐50 z+ 2 1 0 ‐1 x x τ τ ' Bisherige Grundlagenuntersuchungen nur bei niedrigen Reynoldszahlen Wandzyklus autonom und unabhängig von Reynoldszahl     [Jiménez, J., Pinelli, A. (1999) J. Fluid Mech. 389 335] Lange zusammenhängende Gebiete positiver und negativer Geschwindigkeitsfluktuation  beobachtet in logarithmischer und unterer Außenschicht = Superstrukturen [Hutchins, N., Marusic, I. (2007) J. Fluid Mech. 579 1] Reynoldszahlabhängige Beeinflussung des wandnahen Turbulenzzyklus durch Fußabdrücke der  Superstrukturen, so dass die Intensitätsspitze turbulenter Fluktuationen im wandnahen Bereich  mit Reynoldszahl ansteigt     [Hutchins & Marusic 2007]
  34. 34. 34 Grobe Abschätzung von Raum‐Zeit‐Skalen kohärenter Strukturen. [Kasagi, N., Suzuki, Y., Fukagata, K. (2009) Annu. Rev. Fluid Mech. 41 231] Direkte Ansteuerung  turbulenter Strukturen  benötigt flächig hochaufgelöste  Messung von verwendbaren  Wandinformationen (τw oder  pw) Abschätzung wahrscheinlich‐ ster Durchmesser von Längs‐ wirbeln d+ ≈ 30 [Kim, J., Moin, P., Moser, R. (1987) J. Fluid Mech. 177 133] Prominente Frequenzen:  Wandschubspannungs‐ fluktuationen f+ = 0,012 (τ̕w,x)  bzw. f+ = 0,037 (τ̕w,z), Wanddruckfluktuationen f+ = 0.048 [Hu, Z. W., Morfey, C. L., Sandham, N. D. (2006)  AIAA J. 44 1541] Flugzeug Hoch geschwindig‐ keitszug Automobil Ölpipeline Gaspipeline Schiff Hochdruck‐ Gaspipeline kin. Viskosität Reynoldszahl Mittlerer Durchmesser Longitudinalwirbel [mm] Frequenz [kHz] 1000 100 10 1 0.1 0.01 0.001 0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 d+ = 30 f+ = 0,01 Aktive Beeinflussung bei hoher Reynoldszahl f u νf τ 2 =+ d ν u d τ =+
  35. 35. 35 60mm 2.4 14mm 0.2mm Sensor/Aktuatordichte  für Widerstands‐ reduktion an einem  Flugzeug im Reiseflug  (M=0,77) etwa 105/m2 [Wilkinson, S. P. (1990) Interactive wall  turbulence control. In: Bushnell, D. M.,  Hefner, J. N. (Ed.) Viscous Drag Reduction  in Boundary Layers S. 479‐509. AIAA,  Washington D. C., USA] Systeme derzeit weitaus  zu teuer und kompliziert Bis heute kein erfolg‐ reicher experimenteller  Nachweis von Netto‐ Widerstandsreduktion  mit Strategie der  gezielten [Kasagi et al. 2009]Sensor‐Aktuator‐Netzelement aus Heißfilmsensoren und elektromagnetischen  Aktuatoren zur Wanddeformation. [Yoshino, T., Suzuki, Y., Kasagi, H. (2008) J. Fluid Sci. Technol. 3 137] Aktive Beeinflussung bei hoher Reynoldszahl
  36. 36. 36 Mittlere wandnahe Sekundärströmung  induziert durch transversale  Oberflächenwelle, λz + = 840, T+ = 50. [Klumpp, S., Meinke, M., Schröder, W. (2009) J. Turb.  (eingereicht)] Großskalige Beeinflussung nicht nur über Lorentzkräfte, sondern auch mit wandnormaler  Auslenkung der Oberfläche erreichbar Erste Large‐Eddy Simulation wie auch experimentelle Untersuchung turbulenter Plattengrenzschicht zeigt Widerstandsreduktion bis zu 7%, ohne Optimierung für den  Strömungsfall    [Klumpp, S., Meinke, M., Schröder, W. (2009) J. Turb. (eingereicht)] 0 200 400 600 800 z+ 0 100 200 300 y+ v/U∞ 0.175 ‐0.175 0 0.075 ‐0.075 0 200 400 600 800 z+ 0 100 200 300 y+ w/U∞ ‐0.185 0.165 0 0.1 ‐0.1 y+ x+ z+ U λ z + Aktive Beeinflussung bei hoher Reynoldszahl
  37. 37. 37 50002702.5 x 109Schiff 500882 ... 8 x 107Transport‐ flugzeug f [Hz]λz [mm]τw [Pa]Re y+ x+ z+ U λ z + Offene Fragestellung ist nach wie vor die Effizienz der aktiven Beeinflussungmethode und  die erzielbare Netto­Widerstandsreduktion Weitere Grundlagenuntersuchungen zur Wirksamkeit von Beeinflussungsstrategien bei  hohen Reynoldszahlen notwendig (z. B. Projekt CICLoPE, Università di Bologna) Verbleibende Fragestellungen Realitätsnahe Methode, da kein hochaufgelöstes  Sensor‐Aktuator‐Netzwerk benötigt wird Aktive Widerstandsreduktion über großskalige  Beeinflussung kommt in Reichweite technischer  Umsetzbarkeit Parameter der fortschreitenden transversalen Anregung für An‐ wendungsfälle bei T+ = 50, λz + = 840.
  38. 38. 38 [Davidson, P. A. (2004) Turbulence – An Introduction for Scientists and Engineers. Oxford Univ. Press]

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