Zeitlich und räumlich hochauflösende Wandschubspannungsmessungen mit dem Micro-Pillar-Shear-Stress-Sensor (MPS³) in Grenzschichten großer Reynoldszahl mit und ohne Druckgradient

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Für die Untersuchung turbulenter Grenzschichten existiert bisher kein Messsystem, das in der Lage ist, die Wandschubspannungsverteilung quantitativ, flächig und zeitlich hoch aufgelöst zu bestimmen. Eine genaue Kenntnis über die dynamischen Prozesse der turbulenten Strukturen innerhalb der Grenzschicht und des Impulsaustauschs in Wandnähe ist jedoch wesentlich für das Verständnis der Entstehung der Turbulenz in wandgebundenen Scherschichten. Die flächige und hochfrequente Messung der turbulenten Wandschubspannungsverteilung ist somit u. a. notwendig, um verbesserte Ansätze der Turbulenzmodellierung zu ermöglichen sowie aktive Maßnahmen zur Beeinflussung der wandnahen turbulenten Strukturen zu entwickeln, die zu einer deutlichen Widerstandsreduktion führen. Daher soll im Rahmen dieses Forschungsantrags der Micro-Pillar-Shear-Stress-Sensor MPS³ zur Messung der räumlichen und zeitlichen Wandschubspannungsverteilung in technisch relevanten Reynoldszahlbereichen von Rex / m: O(6) weiterentwickelt werden. Diese Weiterentwicklung basiert auf drei Schritten. Erstens sollen durch ein neues Herstellungsverfahren die geometrischen Abmessungen der einzelnen Pillars der Sensorfelder reduziert werden, so dass die Eigenfrequenz bei konstantem Aspektverhältnis steigt. Zweitens soll durch eine erweiterte Erfassung der Daten der dynamischen Kalibration über eine Kompensation des Eigenverhaltens der für Messungen relevante Frequenzbereich verdoppelt werden. Drittens soll der Messbereich durch gegenüber der viskosen Unterschicht geringfügig vergrößerten Pillars, d.h. aus der Unterschicht herausragende Pillars, erhöht werden. Der Nachweis der Einsetzbarkeit des MPS³-Systems in turbulenten Grenzschichtströmungen mit und ohne Druckgradienten liefert ein Messverfahren, anhand dessen die flächige Wandschubspannungsverteilung in Strömungs- und Spannweitenrichtung instantan gemessen werden kann.