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Experimentelle Untersuchungen des laminar-turbulenten Überganges der Zylindergrenzschichtströmung

Instabilitätssteuerung spannweitig kohärenter Wirbelstrukturen in der ablösenden transitionellen Zylindergrenzschicht

Experimental investigations of laminar-turbulent transition of cylinder boundary-layer flow

Instability control of spanwise coherent vortical structures in the separating transitional boundary-layer

by Burkhard Gölling
Doctoral thesis
Date of Examination:2001-05-03
Date of issue:2001-07-18
Advisor:Prof. Dr. Helmut Eckelmann
Referee:PD Dr. Uwe Dallmann
crossref-logoPersistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-2720

 

 

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Name:goelling.pdf
Size:5.34Mb
Format:PDF
Description:Dissertation
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Abstract

English

The spatio-temporal separation of transitional boundary-layer of the cross-stream cylinder-flow is explored in the subcritical up to the transcritical Reynolds number regime. In order to detect the spatial, i.e. the spanwise evolution of coherent separation structures wall-pressure measurements and oil-flow visualisations are conducted. The instationary separation is recognised by force-measurements with a piezo-balance. The result is a detailed description of spatial and temporal scales of shear-flow instabilities and their causes on drag, lift, and Strouhal numbers. The obtained vortical structures due to these instabilities show a different behaviour by passive or active-dynamic flow-control techniques. In case of passive control the spanwise wavelength of the coherent vortices are determined by the spanwise distribution of the stationary disturbances, but no drag decrease is realisable. A significant drag reduction, especially in the subcritical Reynolds number regime, is obtained by introduction of combined spanwise and temporally periodic disturbances in the separating boundary-layer.
Keywords: laminar-turbulent transition; cylinder flow; spanwise periodic vortical coherent structures; spatio-temporal instability control; drag reduction

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Das räumlich zeitliche Ablöseverhalten der transitionellen Grenzschicht des querangeströmten Kreiszylinders wird experimentell im subkritischen bis transkritischen Reynoldszahlbereich untersucht. Für die Erfassung des räumlichen Ablöseverhaltens werden Wanddruckmessungen durchgeführt und Anstrichbilder angefertigt. Das zeitliche Ablöseverhalten wird aus Kraftmessungen mit Hilfe einer piezoelektrischen Waage ermittelt. Als Ergebnis wird detaillierte Beschreibung der räumlichen und zeitlichen Skalen von kohärenten Ablösestrukturen und deren Wirkung auf Widerstand, Auftrieb und Strouhalzahl gegeben. Die beobachteten Wirbelstrukturen können durch passive bis aktiv-dynamische Verfahren in ihrer Entwicklung beeinflusst werden. Durch spannweitig periodisch aufgeprägte stationäre Störungen werden die Wirbelstrukturen in ihrer spannweitigen Entwicklung maßgeblich bestimmt, was allerdings zu keiner Widerstandsreduktion führt. Hingegen erweisen sich spannweitig und zeitlich periodisch eingebrachte Störungen in die ablösende Grenzschicht als effektive Instrumente zur Widerstandsreduktion insbesondere im subkritischen Reynoldszahlbereich.
Schlagwörter: laminar-turbulente Transition; Zylindergrenzschicht; spannweitig periodische Wirbelstrukturen; Steuerung der räumlich zeitlichen Ablösung; Widerstandsreduktion
 

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