Strömungskontrolle unter konstantem Leistungseintrag

• Antragstellerin: Professorin Dr.-Ing. Bettina Frohnapfel
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 252194469

Ein Großteil der natürlichen und technischen Strömungen ist durch das Auftreten von Turbulenzen gekennzeichnet. Diese führen dazu, dass die reibungsbedingten Energieverluste zwischen Strömung und Wand größer sind als im laminaren Fall. Um eine möglichst effiziente Energienutzung erzielen zu können, stellt sich daher die Frage, wie die turbulenten Verluste minimiert werden können. Die entsprechende Forschung zu Strömungskontrolltechniken ist ein zentrales Themengebiet der Strömungsmechanik, in dem viele Arbeiten auf Grundlage direkter numerischer Simulationen (DNS) durchgeführt werden. In Vorarbeiten wurde ein neuartiges DNS Konzept entwickelt, dass sich insbesondere für die Untersuchung kontrollierter Strömungen im Hinblick auf Energieeffizienz eignet, da der Energieeintrag pro Zeit (Leistung) vorgegeben werden kann. Bestehende DNS Techniken erzielen einen Massenstrom in internen Strömungen entweder durch das Einstellen eines konstanten Volumenstroms oder das Aufprägen eines konstanten Druckgradienten. Die andere Größe stellt sich jeweils als Ergebnis der Simulation ein, wobei die zeitlich gemittelten Werte von Druckgradient und Volumenstrom für beide Techniken übereinstimmen. Kommt es nun zu Reibungsminderung durch Strömungskontrolle, so verändert sich der Leistungseintrag (Energieeintrag pro Zeit) in die Strömung, der durch das Produkt von Volumenstrom und Druckgradient gegeben ist. Im ersten Fall führt eine Reibungsminderung durch Strömungskontrolle dazu, dass die benötigte Leistung abfällt (konstanter Volumenstrom bei verringertem Druckgradienten) während sie im zweiten Fall ansteigt (höherer Volumenstrom bei konstantem Druckgradienten). Dieser Unterschied führt dazu, dass die Auswirkungen von Kontrolltechniken auf Turbulenzeigenschaften in der Literatur unterschiedlich bewertet werden. Belastbare Aussagen über die Veränderung der Energiedissipationsmechnismen sind fast nicht möglich. Darüber hinaus besteht bei aktiven Kontrolltechniken die Problematik, dass der Leistungsbedarf der aktiven Kontrolle mit berücksichtigt werden muss, wenn nicht nur die Reibungsminderung sondern vor allem der Energieverbrauch der Strömungskontrolle bewertet werden soll. In dem vorliegenden Projekt soll das DNS Konzept weiter entwickelt werden, das DNS unter konstantem Leistungseintrag ermöglicht, wobei dieser Leistungseintrag sowohl Pump- als auch Kontrollleistung berücksichtigt. Auf Grundlage dieser Methode werden ausgewählte bestehende Strömungskontrolltechniken erneut betrachtet. Die erzielten Ergebnisse werden im Hinblick auf veränderte Turbulenzeigenschaften, insbesondere Dissipationsmechanismen, analysiert sowie im Hinblick auf ihre globale Energieeffizienz und im Vergleich zu den Ergebnisse aus DNS mit bestehenden Techniken bewertet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Italien, Japan
• Beteiligte Personen: Professor Dr. Andrea Cimarelli; Professor Dr. Yosuke Hasegawa