Numerische Untersuchungen zur Verwendung von Rauigkeitsmustern für die Grenzschichtbeeinflussung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Ulrich Rist
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 322405353

Im vorliegenden Antrag sollen neuartige Maßnahmen zur Grenzschichtbeeinflussung durch kleine, borstenartige Haarstrukturen untersucht werden, die in bestimmten Mustern auf einer Wand angeordnet sind. Ein wesentliches Ziel besteht darin, Erkenntnisse über möglichst geeignete Wandmuster zu gewinnen, die technisch eingesetzt werden können.Wie Vorarbeiten im DFG-Vorhaben "Untersuchung von Gittereffekten an sensorisch behaarten Oberflächen zur selektive Erfassung charakteristischer Strömungsfeldmuster (Koinzidenzsensor) " gezeigt haben, verändern in die Strömung eingebrachte, dünne Haarstrukturen das lokale Strömungsfeld merklich. Trotzdem konnten wir zeigen, dass das Sensorsignal eines Einzelsensors dadurch nicht unzulässig verfälscht wird. Erst wenn ein zweiter Sensor in die Nähe eines anderen gebracht wird, erhält man ortsabhängige Veränderungen des zweiten Signals, die neue und äußerst interessante Anwendungsaspekte aufweisen. Die Ergebnisse der Vorarbeiten zur Umströmung einzelner wandgebundener Zylinder endlicher Länge sowie Doppelzylinder-Konfigurationen sollen nun dazu verwendet werden, eine neu zu erstellende Modellierung borstenförmiger Strukturen durch eingeprägte Kräfte in den Navier-Stokes-Gleichungen zu validieren. Nach zusätzlicher Validierung in instationärer Anströmung, soll das neue Verfahren dazu eingesetzt werden, direkte numerische Simulationen auf der Basis der vollständigen Navier-Stokes-Gleichungen mit modellierten Rauigkeitselementen durchzuführen. In diesen sind die Abstände zwischen den Einzelelementen so anzupassen, dass deren Einzelwirkungen sich in möglichst geeigneter Weise verstärken.Eine leicht vorstellbare Anwendung dieses Gedankens besteht in einer Anordnung in Reihen parallel zur Hauptströmungsrichtung mit einem gewissen Abstand und mit einer bestimmten Länge bzw. Höhe, so dass die Haarstrukturen eine ähnliche Wirkung erzielen wie die schon länger bekannten "Riblets" in turbulenten Grenzschichten. Damit verbundene Fragestellungen sollen im vorliegenden Projekt numerisch untersucht werden. Unser Ansatz ist jedoch nicht auf Riblets in turbulenter Strömung beschränkt, da es auch andere Muster gibt, um eine wandgebundene Grenzschicht zu beeinflussen, wie z.B. sogenannte "Zacken- oder Noppenbänder" zur Beeinflussung der laminar-turbulenten Transition oder zur Verhinderung von Strömungsablösung. Zur Untersuchung dieser Fragestellung sollen für die laminar-turbulente Transition einer Plattengrenzschichtströmung relevante Rauigkeitselement-Anordnungen numerisch simuliert und deren Ergebnisse mit Angaben zur kritischen Reynoldszahl in der Literatur verglichen werden. Darüber hinaus wird auch der Einfluss der Rauigkeitsmuster auf das Störungswachstum in der laminaren Grenzschicht und dessen Einfluss auf die Transitionslage quantifiziert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen