The significance of coherent flow structures for the turbulent mixing in wall-bounded flows
Die Bedeutung kohärenter Strukturen für die turbulente Vermischung in Wandgrenzschichten
by Christian Joachim Kähler
Date of Examination:2004-07-01
Date of issue:2004-07-28
Advisor:Prof. Dr. Helmut Eckelmann
Referee:Prof. Dr. Dirk Ronneberger
Referee:Prof. Dr. Werner Lauterborn
Referee:PD Dr. Michael Seibt
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Format:PDF
Description:Dissertation
Abstract
English
For the identification and characterisation of coherent flow structures in turbulent boundary layers and for the examination of the interaction processes between these structures, a flat plate boundary layer flow was investigated at high Reynolds number with the Multiplane Stereo Particle Image Velocimetry. The Multiplane Stereo Particle Image Velocimetry was developed for this particular investigation in order to determine flow quantities for the first time which were not accessible by any other measurement technique before. In addition a new calibration procedure was developed and the generation of tracer particles for optical flow investigations was examined to increase the measurement accuracy. The existence of various coherent structures with different geometrical and dynamical properties could be confirmed and their significance for the turbulent mixing was estimated. In particular it could be shown that the low-speed streaks in the near wall region of the turbulent boundary layer flow are mainly responsible for the turbulent mixing, especially when they interact with large scale structures coming from the outer part of the boundary layer. This interaction is also of primary importance for the generation of stream-wise vortices. Hairpin-like vortices on the other side are only of secondary importance for the turbulent mixing in the near wall region because these structures do not appear frequently.
Keywords: Turbulence; boundary layer; coherent structure; correlation; mixing; turbulence statistics; turbulence model; Particle Image Velocimetry; PIV; Stereo PIV; Multiplane PIV; Multiplane Stereo PIV; Dual plane PIV; Tracer particle; Seeding
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Zur Identifizierung und Charakterisierung von kohärenten Strukturen in turbulenten Grenzschichten, sowie zur Aufklärung der turbulenten Wechselwirkungsmechanismen zwischen diesen Strukturen, wurden Messungen in einer turbulenten Grenzschicht mit der Mehrebenen Particle Image Velocimetry durchgeführt. Die Mehrebenen Particle Image Velocimetry wurde speziell für diese Untersuchungen entwickelt um erstmals strömungsmechanische Größen bestimmen zu können, die bislang einer Messung nicht zugänglich waren. Ferner wurden zur Verbesserung der Messgenauigkeit spezielle Kalibriermethoden entwickelt und die Erzeugung von Tracerpartikeln untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass sich im wandnahen Bereich der Grenzschicht diverse kohärente Strömungsstrukturen identifizieren lassen, die sich in ihren geometrischen Abmessungen und ihrer Bedeutung für die turbulente Vermischung stark unterscheiden. Es konnte gezeigt werden, dass streifenartige Strömungsstrukturen in Wandnähe den Impulsaustausch wesentlich bestimmen, insbesondere wenn es zur Wechselwirkung mit großskaligen Strukturen aus wandferneren Schichten der Grenzschicht kommt. Diese Wechselwirkung ist auch maßgeblich für die Entstehung von Längswirbeln verantwortlich. Hufeisenwirbel hingegen tragen insgesamt nur wenig zum Impulsaustausch bei, weil diese Strukturen nur relativ selten auftreten.
Schlagwörter: Turbulenz; Grenzschicht; kohärente Struktur; Korrelation; Vermischung; Turbulenzstatistik; Turbulenzmodell; Particle Image Velocimetry; PIV; Stereo PIV; Mehrebenen PIV; Tracer Partikel; Seeding; 530 Physik