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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
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
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 $/Jahr
4
1990 2000 2020 2030 2040 2050
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
Jahr
CO2­Emission [109t/Jahr]
2010
Entwicklung der Kohlendioxidemissionen des 
weltweiten Flugverkehrs.
[International Panel on Climate Change, 2007]
Wesentliche ingenieurwissenschaftliche 
Herausforderung ist Reduktion der 
Umwelteinflüsse technischer Prozesse
Vorraussetzung für nachhaltige Wirtschafts‐
entwicklung ist bedeutende Steigerung der 
Effizienz von Verkehrsträgern
Umwelt
ACARE formuliert Ziele zur Reduktion von 
Emissionen des Luftverkehrs bis zum Jahr 2020
50% CO2 im Vergleich zum Jahr 2000
80% NOX zu ICAO CAEP/2‐Grenzwerten
Halbierung des Fluglärms im Vergleich zum Jahr 2000
Entwicklung des Kerosinpreises
[US Energy Information Administration, 2009]
1995 2000 2005 200919901985
1
2
3
4
5
Kerosinpreis [$/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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
[Davidson, P. A. (2004) Turbulence – An Introduction for Scientists and Engineers. Oxford Univ. Press]

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