Numerical simulation of vortex breakdown in turbulent flow

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Mit Hilfe numerischer Lösungen der Navier-Stokes-Gleichungen sollen turbulente, instationäre, dreidimensionale Strömungen in drallbehafteten Rezirkulationsgebieten - in der Wirbeldynamik auch als aufgeplatzte Wirbel bezeichnet - simuliert werden. Die numerischen Simulationen der Strömung sollen eine Analyse des Aufplatzmechanismus und der Aufplatzform sowie der Interaktion zwischen der turbulenten Grundströmung und dem aufplatzenden Wirbel ermöglichen. Zunächst sollen Untersuchungen in Wirbelrohren durchgeführt werden, bei denen mittels Konfusor und Diffusor axiale Druckgradienten erzeugt werden. Über den Einströmquerschnitt soll eine turbulente Rohrströmung mit variablem Drall eintreten. Nach einer Erweiterung der Lösung für Strömungen mehrerer Spezies sollen Mischungsvorgänge, die durch das Wirbelaufplatzen verstärkt werden, für koaxiale Strömungen, ähnlich wie sie in Brennkammern auftreten, untersucht werden. Dabei soll der inneren Rohrströmung ein Drall überlagert werden, so daß sich weiter stromab ein Aufplatzen der wirbelbehafteten Strömung einstellt. Da Turbulenzmodelle, die auf Reynolds gemittelten Erhaltungsgleichungen basieren, bisher nur mit wenig Erfolg zur Simulation von aufplatzenden Wirbeln eingesetzt wurden, sollen in diesem Forschungsprojekt mit Hilfe von Grobstruktursimulationen die großen turbulenten Schwankungen direkt simuliert werden. Ansätze verschiedener Approximationsordnung sollen zur Formulierung der Einströmrandbedingungen verwendet werden, beginnend mit zufallsverteilten Schwankungen, bis zu Näherungslösungen der Navier-Stokes-Gleichungen. Die Simulationen sollen parallel zu Experimenten, die innerhalb eines zusätzlich gestellten Forschungsprojektes beantragt werden, durchgeführt werden. Darin ist eine Vermessung des Strömungsfeldes vorgesehen, so daß eine gegenseitige Überprüfung von experimentellen und numerischen Ergebnissen möglich ist.