Numerische Untersuchungen zur selektiven Detektion charakteristischer Strömungsfeldmuster in einer turbulenten Grenzschichtströmung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Ulrich Rist
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 446803563

Im vorliegenden Antrag wird das Ziel verfolgt, Forschungsarbeiten zur Detektion vorher festgelegter, instationärer Ereignisse in einer wandnahen Strömung mittels eines Sensorgitters durchzuführen. Die grundlegende Idee besteht darin, ein Sensorgitter als „Koinzidenzdetektor“ zu betrachten, der genau dann „feuert“, wenn ein bestimmtes Ereignis das Gitter passiert. Diese Vorstellung leitet sich aus der Biologie ab, wo Raubtiere im Dunkeln dann zubeißen, wenn ihre Strömungsfeldsensoren eine lohnende Beute melden. Wir glauben, dass diese Ansatzweise der Strömungsbeeinflussung neue Impulse geben kann. Wenn z.B. ein Aktuator eingesetzt werden soll, der auf bestimmte Ereignisse abgestimmt ist, so ist es enorm wichtig, solche Ereignisse zuverlässig zu detektieren und den Aktuator im richtigen Moment auszulösen.Durch strukturierte Anordnungen von Wandschubspannungssensoren (in Form von dünnen Fasersensoren) sind neue Arten der räumlichen und zeitlichen Signalerfassung möglich. Vor allem, wenn diese in einem geeigneten Verbund angeordnet sind und man nicht die Einzelsignale betrachtet, sondern deren Korrelationen. Aufbauend auf grundlegenden Untersuchungen zur Detektion von Strömungsereignissen in einer turbulenten Platten-Grenzschicht, bei denen die Fragestellung im Mittelpunkt steht, welche Ereignisse im Strömungsfeld über „Fußabdrücke“ an der Wand detektierbar sind, sollen Grundlagenuntersuchungen zur Anordnung diskreter Sensoren an einer von einem Fluid überströmten Wand durchgeführt werden. Dem folgen Korrelationsuntersuchungen zwischen den Einzelsignalen und den zuvor erkannten Strukturen, um die geeignetsten Sensor-Anordnungen sowie die am besten geeignete Weiterverarbeitung der Einzel-Signale zu einem Ereignis-Signal zu finden. Die Untersuchungen werden mit anderen Verfahren verglichen, insbesondere der Hough-Transformation aus den Vorarbeiten, der Proper Orthogonal Decomposition (POD), der Dynamic Mode Decomposition (DMD) und Künstlichen Neuronalen Netzen (KNN). Diese Untersuchungen ergeben grundlegende Erkenntnisse zur Identifizierung von Strömungsfeldstrukturen über Wandsignale in einer turbulenten Plattengrenzschicht.Am Ende soll das zugrunde liegende bionische „Raubtier-Beute-Prinzip“ in einer direkten numerischen Simulation einer turbulenten Plattengrenzschicht demonstriert werden, in der sich ein Sensorgitter und ein einfacher Aktuator befinden. Nach aktueller Vorstellung können Low- und High-Speed-Streaks in der Grenzschicht detektiert werden, die ein ortsfester Aktuator jeweils entweder durch Absaugen oder Ausblasen reduzieren kann. Die Aufgabe des Koinzidenzdetektors besteht dann darin, diejenigen Streaks zu identifizieren, die so auf den Aktuator zuströmen, dass dieser eine Chance hat, diese zu reduzieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen