Einfluss eines positiven Druckgradienten auf turbulente Grenzschichten an glatten und gerillten Oberflächen

Indinger, Thomas

Thomas Indinger

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Original title:: Einfluss eines positiven Druckgradienten auf turbulente Grenzschichten an glatten und gerillten Oberflächen
Translated title:: Influence of an adverse pressure gradient on turbulent boundary layers over smooth and groved surfaces
Author:: Indinger, Thomas
Year:: 2005
Document type:: Dissertation
Faculty/School:: Fakultät für Maschinenwesen
Advisor:: Adams, Nikolaus A. (Prof. Dr. habil.)
Referee:: Fernholz, Hans-Hermann (Prof. Dr.)
Format:: Text
Language:: de
Subject group:: MAS Maschinenbau
Keywords:: Grenzschicht; Riblets; Druckgradient; Ablö sung; Wasserumlaufkanal
Translated keywords:: boundary layer; riblets; adverse pressure gradient; separation; closed-circuit water tunnel
Controlled terms:: Turbulente Grenzschicht; Grenzschichtablösung; Riblets; Druckgradient
TUM classification:: MTA 450d; MTA 460d
Abstract:: Die optimale Nutzung des Betriebsbereichs von z. B. Turbomaschinen erfordert eine höchstmögliche Verzögerung der Durchströmung, die oft zur Ablösung von Grenzschichten führen kann. Turbulente Grenzschichten sind gegenüber laminaren in der Lage, einen höheren Druckanstieg ablösefrei zu bewältigen. Ihr wesentlicher Nachteil ist der höhere Reibungswiderstand. Ein passives Mittel zur Reduzierung dieses Widerstandes in turbulenten Grenzschichten sind sogenannte riblets, mikroskopisch feine, in Hauptströmungsrichtung orientierte Rillen. Deren widerstandsvermindernde Wirkung konnte in zahlreichen Untersuchungen nachgewiesen werden. Diese verfolgten vornehmlich das Ziel, die Rillengeometrie sowie deren Abmessungen zu optimieren, so dass eine Minimierung des Reibungswiderstandes erreicht wird. Bisher ungeklärt ist aber ihr Einfluss auf eine turbulente Grenzschicht bei positiven Druckgradienten, insbesondere auf das Ablöseverhalten. Die vorliegende Arbeit verfolgt daher zwei Ziele. Erstens, der direkte Vergleich der Grenzschichtentwicklungen an der riblets- zu der an einer glatten Oberfläche für eine Beurteilung des Oberflächeneinflusses auf die Ablösung. Zweitens, die Messung der mittleren und Schwankungsgeschwindigkeiten in einer druckgradientenbehafteten Grenzschicht an einer glatten Oberfläche zur Ermittlung einer hierfür geeigneten Skalierung. Zur Klärung der Fragen wurden experimentelle Untersuchungen in einem geschlossenen Wasserumlaufkanal durchgeführt. Die Messergebnisse zeigen, dass riblets ohne Anpassung der Form an die lokale Wandschubspannung in Hauptströmungsrichtung keinen Einfluss auf die Lage der Grenzschichtablösung haben. Außerdem konnte gezeigt werden, dass eine für die mittleren Geschwindigkeitsprofile im Außenbereich einer Nicht-Gleichgewichtsgrenzschicht bis zur Ablösung geeignete Skalierung durch u_δ·δ₁⁄δ gegeben ist.
Translated abstract:: For optimal efficiency of turbo machines a strong flow deceleration is required. This promotes the tendency of boundary layers to separate. However, turbulent boundary layers are known to be less prone to separation than laminar ones. The main disadvantage of turbulent boundary layers is a larger friction loss. Riblets, microscopic grooves aligned with mean-flow direction, are passive devices to reduce these losses. Numerous investigations on their mechanism resulted in the design of optimal riblets shapes and dimensions. A yet unsolved issue is their influence on an adverse-pressure-gradient turbulent boundary layer. The present work has two objectives. First, turbulent-boundary-layer development over smooth and rough surfaces are to be compared to examine the influence of riblets on the attached and separating flow. Second, mean- and fluctuating-velocity distributions of turbulent boundary layers over smooth surfaces subjected to a pressure gradient are to be determined in order to find proper scaling laws. Experimental data obtained in a closed-circuit water tunnel show that riblets without geometrical adaption to the local wall shear stress in mean flow direction have no influence on the location of boundary layer separation. Moreover, by u_δ·δ₁⁄δ a proper scaling for the mean-velocity profiles in the outer region of non-equilibrium turbulent boundary layers approaching separation is given.
Publication :: Universitätsbibliothek der Technischen Universität München
WWW:: https://mediatum.ub.tum.de/?id=601954
Date of submission:: 30.06.2005
Oral examination:: 11.10.2005
File size:: 14946475 bytes
Pages:: 211
Urn (citeable URL):: https://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:91-diss20051206-1058341937
Last change:: 17.07.2007
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