Investigation of transition scenarios in boundary-layer flows

by Andreas Stolte
Doctoral thesis
Date of Examination:1999-11-04
Date of issue:2002-04-05
Advisor:Prof. Dr. Helmut Eckelmann
Referee:Prof. Dr. Dirk Ronneberger
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-4229

 

 

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Abstract

English

Laminar-turbulent transition mechanisms triggered by crossflow instability in three-dimensional, accelerated boundary-layer flows are investigated us- ing numerical methods of stability analysis. The investigations are based on the DLR swept plate experiment, where stationary and traveling crossflow modes can be selectively introduced into the flow field. Nonlinear instabil- ity analyses employing the parabolized stability equations (PSE) show that unique saturation amplitudes do neither exist for stationary crossflow vor- tices nor for traveling crossflow waves. This phenomenon is explained by means of a spatial bifurcation model. Using Floquet theory, temporal sec- ondary instability analyses are then performed for the mean flow distorted by primary disturbances. In these analyses, secondary high-frequency dis- turbances with high growth rates are found. The location of these distur- bances correlates weil with regions of high shear in the primarily distorted flow field, especially on the back of the primary crossflow vortices.

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Die von der Querströmungsinstabilität dominierten Mechanismen der laminar-turbulenten Transition in dreidimensionalen, beschleu- nigten Grenzschichtströmungen werden mit stabilitätstheoretischen Methoden untersucht. Die Untersuchungen basieren auf dem DLR- Prinzipexperiment "Schiebende Platte", bei dem stationäre und laufende Querströmungsmoden gezielt angeregt werden können. In nichtlinearen Instabilitätsanalysen mit Hilfe der parabolisierten Stabilitätsgleichungen (PSE) zeigt sich, dass weder für laufende Querströmungswellen noch für stationäre Querströmungswirbel einheitliche Sättigungsamplituden ex- istieren. Dies wird mit Hilfe eines räumlichen Bifurkationsmodells erklärt- für die durch die primären Störungen verformte Grundströmung werden dann mittels floquet- Theorie zeitliche sekundäre Instabilitätsanalysen durchgeführt. Dabei werden hochfrequente sekundäre Störungen mit hohen Anfachungsraten gefunden. Die Lage dieser Störungen korreliert gut mit Gebieten großer Scherung im primär gestörten Strömungsfeld, vor allem auf dem Rücken der primären Querströmungswirbel.
 
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