Passive und aktive Beeinflussung turbulenter Stufenüberströmungen

266 Pages·2015·34.68 MB·German

by  J. Neumann

Passive und aktive Beeinflussung
turbulenter Stufenu˜berstr˜omungen
zur Erlangung des Grades
DOKTOR-INGENIEUR (DR.-ING.)
von der Fakult˜at fu˜r Luft- und Raumfahrttechnik
der Universit˜at der Bundeswehr Mu˜nchen
genehmigte
DISSERTATION
verfasst von
DIPL.-ING. JENS NEUMANN
Promotionsausschuss:
Vorsitzender: Prof. Dr.-Ing. Lutz R˜omer
1. Berichterstatter: apl. Prof. Dr.-Ing. habil. Hans Wengle
2. Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. habil. Rainer Friedrich
Tag der Einreichung: 23.09.2003
Tag der mu˜ndlichen Pru˜fung: 19.12.2003
Neubiberg, den 22.12.2003

Danksagungen
DieseArbeitentstandw˜ahrendmeinervierj˜ahrigenT˜atigkeitalswissenschaftlicherMitarbei-
ter am Institut fu˜r Str˜omungsmechanik und Aerodynamik der Universit˜at der Bundeswehr
Mu˜nchen. An erster Stelle m˜ochte ich mich bei Herrn apl.Prof.Dr.-Ing.habil. H. Wengle fu˜r
die vielf˜altige Unterstu˜tzung bedanken, die er mir in dieser Zeit als Doktorvater\ zukom-
"
men lies. Dazu geh˜oren u.a. die Hilfestellung bei vielen organisatorischen Fragen, unz˜ahlige
konstruktive Diskussionen und die sehr angenehme Arbeitsatmosph˜are. Dank aussprechen
m˜ochte ich ferner Herrn Prof.Dr.-Ing. L. R˜omer, fu˜r die M˜oglichkeit der Arbeit an seinem In-
stitutundHerrnProf.Dr.-Ing.Dr.-Ing.habil. R.Friedrichfu˜rdie U˜bernahmedesCo-Referats.
MeinenehemaligenKollegen,Dr.-Ing.AlexanderOrellanoundDr.-Ing.AdnanMerigiltmein
Dank fu˜r die Erm˜oglichung einer raschen Einarbeitung. Fu˜r zahlreiche Hilfestellungen und
viele interessante Diskussionen m˜ochte ich mich auch bei Dr.-Ing.habil. Michael Manhart be-
danken. Stets fachkundig unterstu˜tzt wurde ich von den Mitarbeitern des Rechenzentrums
der Universit˜at der Bundeswehr Mu˜nchen und des Leibniz-Rechenzentrums der Bayerischen
AkademiederWissenschaften,denenichhiermitmeinenDankaussprechenm˜ochte.Entschei-
denden Anteil an meiner Begeisterung und Motivation fu˜r das Fachgebiet der numerischen
Str˜omungsmechanik hat Assist.Prof. Jon Pharoah, sowie das gesamte ehemalige Team im
CFD-Lab der University of Victoria.
Fu˜r ihre stete Unterstu˜tzung m˜ochte ich meinen Eltern danken, ohne deren mutige Ent-
scheidungen in der Vergangenheit diese Arbeit nicht m˜oglich gewesen w˜are. Meiner Freundin
Angelika bin ich sehr dankbar fu˜r ihr Verst˜andnis, ihre Hilfsbereitschaft und ihre F˜ahigkeit,
mir Flu˜gel zu verleihen\.
"
Mu˜nchen, im Herbst 2003 Jens Neumann

i
Inhaltsverzeichnis
1 Einfu˜hrung 1
1.1 Stand der Forschung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Ziele der vorliegenden Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3 Gliederung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2 Numerisches Verfahren 9
3 Beein(cid:176)ussung der Str˜omung u˜ber eine scharfkantige Stufe 13
3.1 Einfu˜hrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.2 Simulationsparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.3 Erzeugung von Referenzl˜osungen (DNS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.3.1 Erfu˜llung von Kriterien zur Gitterau(cid:176)˜osung . . . . . . . . . . . . . . 23
3.3.2 Vergleich mit experimentellen Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.3.3 Zustr˜omungsbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.3.4 Mittleres Str˜omungsfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.3.5 Augenblicksaufnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.4 Validierung der Grobstruktursimulation (LES) . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.4.1 Zustr˜omungsbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.4.2 Mittleres Str˜omungsfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.5 Beein(cid:176)ussung der Stufenu˜berstr˜omung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.5.1 Mittleres Str˜omungsfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.5.2 R˜aumliche Ausdehnung der Strukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.5.3 Augenblicksaufnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.5.4 Analysen von Zeitreihen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.5.5 Phasenmittelung des aktiv beein(cid:176)ussten Falls . . . . . . . . . . . . . 77
3.6 Eigenmodeanalyse und Bilanzen der Energie(cid:176)u˜sse . . . . . . . . . . . . . . . 101
ii
3.6.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.6.2 POD der Stufenstr˜omung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
3.6.3 Energie(cid:176)u˜sse zwischen den koh˜arenten Strukturen . . . . . . . . . . . 109
3.7 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4 Optimierung der passiven und aktiven Kontrolle 125
4.1 Einfu˜hrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
4.2 Ru˜ckkopplungsalgorithmus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
4.2.1 Wahl der Messgr˜o…e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
4.2.2 Ablaufdetails . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
4.2.3 Messung der augenblicklichen Rezirkulationsl˜ange . . . . . . . . . . . 132
4.3 U˜bersicht der berechneten F˜alle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
4.4 Optimierung der passiven Kontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
4.5 Optimierung der aktiven Kontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
4.6 Optimierung der kombinierten (passiven und aktiven) Kontrolle . . . . . . . 143
4.7 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
5 Beein(cid:176)ussung der Str˜omung u˜ber eine abgerundete Stufe 159
5.1 Einfu˜hrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
5.2 Simulationsparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
5.3 Validierung der Grobstruktursimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
5.3.1 Zustr˜omung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
5.3.2 Mittleres Str˜omungsfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
5.3.3 Bestimmung der Wandschubspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
5.4 Beein(cid:176)ussung der abgerundeten Stufenu˜berstr˜omung . . . . . . . . . . . . . 183
5.4.1 Passive Beein(cid:176)ussung durch einen Kontrollzaun . . . . . . . . . . . . 183
5.4.2 Aktive Beein(cid:176)ussung durch einen oszillierenden Wandstrahl . . . . . 187
5.4.3 Zus˜atzliche Vergleiche von passiver und aktiver Beein(cid:176)ussung . . . . 191
5.5 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
iii
6 Abschlussdiskussion und Ausblick 205
A Die Wavelettransformation 209
A.1 Einfu˜hrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
A.2 Theorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
B U˜berstr˜omung einer abgerundeten Stufe in einem ebenen Plattenkanal 213
B.1 Simulationsparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
B.2 Zustr˜omungsbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
B.3 Mittleres Str˜omungsfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
B.4 Visualisierung des augenblicklichen Str˜omungsfelds . . . . . . . . . . . . . . 220
B.5 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
Literaturverzeichnis 229
iv
v
˜
Ubersicht
Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die gezielte Beein(cid:176)ussung von abgel˜osten und wie-
deranlegenden turbulenten Str˜omungen u˜ber stufenf˜ormige Hindernisse im Hinblick auf ei-
ne Erh˜ohung der Vermischungsf˜ahigkeit der freien Scherschicht und damit einer Verklei-
nerung des (in der Praxis zumeist mit nachteiligen Eigenschaften behafteten) Rezirkulati-
onsgebiets. Die Anwendung der { je nachdem, ob der Str˜omung externe Energie zugefu˜hrt
wird { in passiv und aktiv unterteilten Beein(cid:176)ussungsmethoden erfolgt im Rahmen numeri-
scher Simulationen durch Adaption von Versuchsaufbauten ausgew˜ahlter Windkanalexperi-
mente. Als passive Methode dient ein stromauf der Stufe beflndlicher Zaun, welcher klein re-
lativ zur Stufenh˜ohe ist. Die aktive Beein(cid:176)ussung ist mithilfe eines periodisch oszillierenden
Wandstrahls realisiert. Ergebnisse einfach (open-loop) oder ru˜ckkopplungsbasiert (closed-
loop) beein(cid:176)usster Large-Eddy Simulationen (LES) werden hinsichtlich der Bestimmung des
Beein(cid:176)ussungserfolgs, bezu˜glich dessen Abh˜angigkeit von einzelnen relevanten Parametern,
sowie mit dem Ziel einer Charakterisierung von str˜omungsphysikalischen Besonderheiten der
Beein(cid:176)ussungsmethoden ausgewertet. Zur Validierung der LES-Ergebnisse werden diese mit
Referenzdaten { gewonnen aus Direkten Numerischen Simulationen (DNS) oder aus Expe-
rimenten { verglichen.
Im ersten (Haupt-) Teil dieser Arbeit werden die beiden passiven und aktiven Beein(cid:176)us-
sungsmethoden auf die turbulente Grenzschichtstr˜omung u˜ber eine scharfkantige Stufe bei
Re = 3000 angewendet. Neben dem mittleren Str˜omungsfeld k˜onnen insbesondere fu˜r die
h
zeitliche und r˜aumliche Dynamik der energiereichen Strukturen Unterschiede in der Wir-
kungsweise der Methoden festgestellt werden. Im n˜achsten Teil der Arbeit erlaubt die An-
wendung ru˜ckkopplungsbasierter LES auf die scharfkantige Stufenu˜berstr˜omung eine Ana-
lyse einzelner Beein(cid:176)ussungsparameter. Insbesondere fu˜r die Entfernung des passiven Kon-
trollzauns von der Stufen-, bzw. Abl˜osekante (bei gegebener H˜ohe des Zauns) und fu˜r die
AnregungsfrequenzdesoszillierendenWandstrahlsk˜onnendabeiGesetzm˜a…igkeitenundOp-
timalwerte angegeben werden, welche einen maximalen Beein(cid:176)ussungserfolg gew˜ahrleisten.
Schlie…lich steht im letzten Teil dieser Arbeit die Auswirkung der beiden Beein(cid:176)ussungskon-
zepte auf eine druckinduziert abl˜osende turbulente U˜berstr˜omung einer abgerundeten Stufe
bei Re = 9100 im Mittelpunkt. Dabei stellt die { im Gegensatz zur scharfkantigen Stu-
h
fenu˜berstr˜omung { nun frei entlang einer gekru˜mmten Ober(cid:176)˜ache verlaufende Abl˜oselinie
einen bedeutenden ph˜anomenologischen Unterschied zur geometrisch induzierten Abl˜osung
dar.MithilfederStr˜omungsbeein(cid:176)ussungkannhierdieGr˜o…edesRezirkulationsgebietsnicht
nur verkleinert, sondern sogar { im Falle gu˜nstig gew˜ahlter Beein(cid:176)ussungsparameter { die
Abl˜osung der turbulenten Str˜omung g˜anzlich vermieden werden.
vi
Abstract
The subject of the present work is the control of separated and reattaching turbulent (cid:176)ows
over obstacles in the form of steps aiming at an enhancement of the mixing capability of
the free shear layer and thus a reduction of the size of the recirculation region (a†icted in
practice mostly with unfavorable characteristics). The application of passive (no external
energy input to the (cid:176)ow) and active (via energy input) control methods is realized in nume-
rical simulations performed by adapting setups from selected wind tunnel experiments. For
the passive method, a fence (with a relatively small height compared with the step height)
is placed upstream of the step. A periodically oscillating wall jet is utilized for the active
method. Results of open-loop or closed-loop (with feedback) controlled Large-Eddy Simu-
lations (LES) are analyzed according to the control success and its dependence on relevant
parameters, and with respect to a characterization of method-speciflc features of the (cid:176)ow
physics. In order to validate the LES results, these results are compared with reference data,
obtained either from Direct Numerical Simulations (DNS) or from experiments.
In the flrst (major) part of this work, both passive and active control methods are applied to
the turbulent boundary layer (cid:176)ow over a sharp-edged backward-facing step at Re = 3000.
h
Difierences between the impact of the methods are observed for the mean (cid:176)ow fleld as well
as for the temporal and spatial dynamics of the highly energetic structures. The next part of
the work covers the application of closed-loop feedback control LES to the (cid:176)ow over a sharp-
edged step, allowing the analysis of certain control parameters. Dependencies and optimum
values for a maximum control success can be specifled in particular for the distance between
the passive control fence and the step (i.e. separation) edge (with given fence height) and for
theforcingfrequencyoftheoscillatingwalljet.Finally,theimpactofbothcontrolapproaches
on a (cid:176)ow over a smoothly contoured step at Re = 9100 with pressure-induced separation
h
is investigated in the last part of this work. The freely evolving separation line along the
curved surface represents an important difierence between this (cid:176)ow and the sharp-edged
step (cid:176)ow (with geometrically induced separation). Applying the (cid:176)ow control, the size of the
recirculation region can not only be reduced, the separation of the turbulent (cid:176)ow can even
be avoided totally (with accordingly chosen control parameters).