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TU Berlin

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Kohärente Strukturen im Fernfeld von Drallströmungen

Abb. 1: Versuchsaufbau am Laboratory for Turbulence Research in Aerospace and Combustion (LTRAC). Experimenteller Aufbau für stereoskopische PIV Messungen im Fernfeld von drallfreien und drallbehafteten Freistrahlen.
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Ziel des Projekts ist die experimentelle und analytische Untersuchung von kohärenten Strukturen im Fernfeld von drallfreien und drallbehafteten Freistrahlen. Drallströmungen können in der Natur in Form von Tornados oder Hurrikans beobachtet werden und werden in zahlreichen technischen Anwendungen genutzt, z. B. in Verbrennungssystemen (Gasturbinen), da das Strömungsfeld vorteilhafte Eigenschaften für die aerodynamische Flammenstabilisierung aufweist.

Da Drallstrahlen ein erhöhtes Entrainment aufweisen, werden diese oft für die Verbesserung der Kühlung von Komponenten genutzt, oder um Mischung zu erhöhen. Freistrahlen ohne Drall und Drallstrahlen sind weiterhin bekannt durch die Auslassströmung von Triebwerken.  Aufgrund ihrer vielseitigen technischen Anwendungen wurde das Nahfeld beider Strömungskonfigurationen in den letzten Jahrzehnten ausführlich untersucht. Neben ihrem praktischen Nutzen stellen diese Art von Strömungen durch ihre Einzigartigkeit und ihren grundlegenden Charakter auch ein beliebtes Forschungsobjekt für die Grundlagenforschung dar.

Eine der wichtigsten Eigenschaften von turbulenten Strömungen ist das Auftreten von kohärenten Strukturen. Sie spielen eine Schlüsselrolle in der Strömungsmechanik, da sie meist die energiereichsten fluktuierenden Strukturen darstellen. Sie sind verantwortlich für turbulente Produktion, Schallemission, Druck- und Lastfluktuation, Mischung von Fluiden und viele weitere turbulente Phänomene. Ein exakter Kenntnisstand über die Strukturen ist nötig, um die auftretenden Phänomene durch die Kontrolle der kohärenten Strukturen zu beeinflussen. 

Abb 2: Extrahierte kohärente Strukturen der Mode m=1 auf Experiment (links) und linearer Stabilitätsanalyse (recht) bei unterschiedlichen Frequenzen
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Im Fernfeld von Strömungen stellt die präzise Bestimmung der kohärenten Strukturen aufgrund ihrer dreidimensionalen Dynamik über einen weiten Bereich von Längen- und Zeitskalen eine Herausforderung dar. Im Gegensatz zum Nahfeld, das oft nur eine oder zwei dominante Moden aufweist, finden sich im Fernfeld eine Vielzahl an überlagerten Strukturen. Ihre Bestimmung benötigt entweder hoch-präzise Strömungssimulationen oder detaillierte Messungen mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung und zusätzlich ist deren Extraktion herausfordernder als im Nahfeld. Aus diesem Grund wurden kohärente Strukturen im Fernfeld von Drallströmungen bis jetzt nicht hinreichend untersucht. 

Das aktuelle Projekt wird in Zusammenarbeit mit dem Laboratory for Turbulence Research in Aerospace and Combustion (LTRAC) an der Monash University in Melbourne Australien durchgeführt. Der Versuchsaufbau, in dem die Experimente durchgeführt wurden, ist in Abb. 1 dargestellt. Als Medium wurde Wasser verwendet, um zeitlich hochaufgelöste stereoskopische PIV Messungen bei hoher Reynoldszahl zu ermöglichen. Basierend auf den aufgenommenen Daten werden geeignete Methoden zur Extraktion von kohärenten Strukturen beurteilt und entwickelt. Darüber hinaus wird die Anwendbarkeit der linearen Stabilitätsanalyse auf die Fernfelddaten untersucht. Das Hauptziel der Anwendung dieses analytischen Instruments ist die Rekonstruktion des gesamten Spektrums an kohärenten Strukturen, welche die Strömung dominieren. Diese Analyse basiert nur auf den zeitlich gemittelten Strömungsfeldern und Turbulenzprofilen, welche durch Experimente oder Simulationen mit geringem Aufwand erhalten werden können. Einige Ergebnisse dieses Ansatzes sind in Abb. 2 dargestellt, welche die kohärenten Strukturen der Mode m=1 von Experiment und Stabilitätsanalyse vergleicht [1]. 

 

Publikationen

[1] P. Kuhn, K. Oberleithner, J. Soria. Identification of coherent structures in the far field of a turbulent jet based on spectral proper orthogonal decomposition of time-resolved PIV snapshots. In 19th International Symposium on Applications of Laser and Imaging Techniques to Fluid Mechanics, Lisbon, Portugal, 16-19 July 2018.

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