Experimental investigations on the dynamics and kinematics of transitional flow structures in a pipe generated by optimized disturbances

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Trotz der Tatsache, dass die voll entwickelte laminare Rohrströmung (RS) linear stabil ist, wird in der Realität eine Transition der laminaren Strömung zu einem turbulenten Strömungszustand beobachtet. Wird in der Strömung bei niedriger Reynoldszahl eine lokalisierte Störung induziert, treten bestimmte Strömungsstrukturen vor und während der Transition auf. Als solche Strömungsstrukturen sind seit geraumer Zeit Puff- und Slug-Strukturen bekannt. Numerisch wurden zudem vor der Transition großskalige Strömungsstrukturen, sogenannte Traveling Waves (TW), die exakte instationäre numerische Lösungen der Navier-Stokes-Gleichungen sind, nachgewiesen. Ein experimenteller Nachweis dieser Strömungsstrukturen steht allerdings noch aus, da keine Erkenntnisse über die Art und die Stärke der Störungen vorliegen, welche zu diesen Strukturen führen. Ferner ist die Entwicklung der Transitionsstrukturen mit zunehmender Reynoldszahl, noch nicht vollständig verstanden. Für die Klärung der Dynamik der verschiedenen transitionalen Strukturen und der in der Literatur bestehenden Inkonsistenzen der Statistiken wurde in der ersten Projektphase eine sehr lange Rohrmessstrecke (3200 D) mit einer speziell entwickelten Messtechnik zur Verfolgung jeder einzelnen der erzeugten Strukturen (Structure Tracking Method) aufgebaut und in Betrieb genommen. Unabhängig von dieser dynamischen Beschreibung der Turbulenzvorgänge haben kinematische Untersuchungen der Anisotropie von Geschwindigkeitsfluktuationen gezeigt, dass Anisotropie-Invarianten von Geschwindigkeitsfluktuationen während der Transition bestimmten Pfaden folgen. Was nun aussteht, ist eine Zusammenführung der Ergebnisse der Betrachtungen zur Dynamik der transitionalen Strömungsstrukturen mit denen der kinematischen Untersuchungen. Das vorgeschlagene Projekt zielt deshalb darauf ab, den Mechanismus der Entstehung von TW in Rohren, den Zusammenhang zwischen den TW und den turbulenten transitionalen Puff- bzw. Slug-Strukturen sowie die Grenzen zwischen ihrem Auftreten experimentell zu untersuchen. Darüber hinaus soll die Verbindung zwischen den dynamischen und kinematischen Befunden über transitionale Strukturen hergestellt und daraus Strategien zur Kontrolle der Transition konzipiert werden. Dazu werden Geschwindigkeitsmessungen mit der Hitzdrahtanemometrie und mit Stereo- PIV durchgeführt. Mit Hilfe von Strömungsvisualisierungen in Verbindung mit Mustererkennung und Optimierungsalgorithmen werden die optimalen Störungsparameter zur Erzeugung der verschiedenen TW-Typen identifiziert. Die Entwicklung einer Technik zur gezielten Erzeugung von verschiedenen Formen von TW auf eine reproduzierbare Art und Weise, ermöglicht es, das Geschwindigkeitsfeld in den TW quantitativ zu untersuchen und die Entwicklung von TW im Rohr bis ins turbulente Stadium zu verfolgen. Schließlich werden die gemessenen Profile der turbulenten Spannungen und deren Anisotropie, die Wahrscheinlichkeit des Auftretens und die Lebensdauerstatistik sowie die räumliche Topologie der transitionalen Strömungsstrukturen analysiert im Vergleich mit denjenigen, die in Taylor-Couette-Strömungen (TC) und der Rayleigh- Benard-Konvektion (RB) vorgefunden werden. Übergreifendes Ziel ist es, die gemeinsamen Transportmechanismen in diesen Strömungen aufzuzeigen.