ISBN 9783843957571

978-3-8439-5757-1, Reihe Ingenieurwissenschaften

Matthias Weinschenk
Untersuchungen kohärenter Bewegungen in turbulenten Plattengrenzschichten mit und ohne Druckgradient

131 Seiten, Dissertation Universität Stuttgart (2025), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Die vorliegende Arbeit untersucht kohärente Strukturen in turbulenten ebenen Plattengrenzschichten bei Unterschall- (M = 0,5) und Überschallströmungen (M = 2,0) sowie unter verschiedenen Druckgradienten. Grundlage sind Daten aus direkten numerischen Simulationen (DNS). Im ersten Teil werden klein- und großskalige Strömungsstrukturen anhand ihrer Konvektionsgeschwindigkeit analysiert. Mithilfe eines Korrelationsverfahrens ähnlich der Particle-Image-Velocimetry wird ein Bereich von der logarithmischen Schicht bis zur unteren Defektschicht identifiziert, in dem turbulente Strukturen mit der lokalen Strömung transportiert werden. Die zugehörigen Geschwindigkeitsfluktuationen entsprechen den bekannten High- und Low-Speed-Streaks. Außerhalb dieses Bereichs zeigt die Konvektion Wellencharakter: wandnahe Strukturen bewegen sich schneller, äußere Strukturen langsamer als die mittlere Strömung. Diese Beobachtungen treten unabhängig von Mach-Zahl und Druckgradient auf. Im zweiten Teil werden dreidimensionale FTLE-Felder untersucht. Der Fokus liegt dabei auf Regionen minimaler Streckung zwischen Wirbeln und Scherschichten, die als „Lagrangian Areas of Minimal Stretching“ (LAMS) bezeichnet werden. Die größten LAMS entstehen nahe dem Grenzschichtrand, wo laminare Außenströmung und aufsteigende turbulente Strukturen zusammentreffen. Oberhalb von y+ ≳ 10 dominieren Sweep-Ereignisse, unterhalb von y+ ≈ 10 dagegen Ejection-Ereignisse. Insgesamt sind LAMS mit den kohäsiven Fluidregionen zwischen den, sie umgebenden, Wirbeln und Scherschichten verbunden, die sowohl im äußeren Bereich der Grenzschicht vom Grenzschichtrand zur Wand hin abfallen als auch im wandnahen Bereich von der Wand abheben und unabhängig von Mach-Zahl und Druckgradient ähnliche Eigenschaften besitzen.