Investigation of boundary layer transition at high Reynolds numbers using time-resolved temperature-sensitive paint

by Benjamin Dimond
Doctoral thesis
Date of Examination:2023-12-05
Date of issue:2024-08-23
Advisor:Dr. Marco Costantini
Referee:Prof. Dr. Martin Rein
Referee:Prof. Dr. Dr. Andreas Dillmann
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-10693

 

 

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Abstract

English

Understanding the fundamental principles of the processes that lead to laminar-turbulent transition on aerodynamic surfaces is of significant importance to correctly describe, model and perhaps ultimately influence the transition region. The understanding is still limited for many relevant flow conditions due to the challenges involved in both experimental and numerical studies. This thesis studies the phenomena and processes (i.e. specifically turbulent spots, intermittency distribution and turbulent wedges) of laminar-turbulent transition of a quasi-two-dimensional boundary layer over a flat plate in a compressible subsonic flow at high Reynolds numbers for which experimental data is scarce, and uses the specially developed time-resolved temperature-sensitive paint (iTSP) measurement technique. Experiments were conducted in the Cryogenic Ludwieg-Tube Göttingen at ambient temperatures with various streamwise pressure gradients, freestream Mach numbers ranging $0.3\leq M \leq 0.8$, and local Reynolds numbers $1\cdot 10^6\leq Re_x \leq 6.5\cdot10^6$ with high temporal (20-100 kHz) and spatial (17 px/mm) resolution. A Ru(phen)-based iTSP was investigated for its suitability, characterised to enable a quantitative surface temperature and heat flux determination, and applied for the first time under these investigated flow conditions. The emphasis was laid on systematically investigating turbulent spots for independently varied test conditions. The characteristic streamwise pointing triangle shape of the turbulent spot with its rounded wing tip region could be identified for all flow conditions. Additionally, the leading and trailing edge celerities, spreading and opening angles, and resulting turbulent spot propagation parameters were determined. While turbulent spots were observed to grow unaffected when merging laterally with other turbulent spots or turbulent wedges, the leading edge celerities of trailing spots were found to be considerably slower if trailing within about one spot length of another spot. A direct intermittency determination was possible when considering the surface heat flux computed from the time-resolved iTSP data. There was good agreement between transition location, defined at 50% intermittency, with commonly used definitions for stationary surface temperature measurements and the intermittency distribution in the transition region with models from literature. Turbulent wedges were found to consist of a fully turbulent core and intermittent outer region, although the latter was smaller than those found in other investigations. Intermittent turbulent wedges could be resolved and were shown to be a series of individual turbulent spots. For the first time, unsteady laminar-turbulent transition phenomena could be temporally resolved and characterised with an image based thermographic surface measurement technique under the investigated flow conditions. These findings are an essential aid to understanding and modelling the transition region for compressible high Reynolds number flow conditions and to demonstrate the capabilities of this new time-resolved iTSP technique to help gain a new understanding of instationary boundary layer transition phenomena.
Keywords: Turbulent spots; Temperature-sensitive paint; Turbulent wedges; Tollmien-Schlichting waves; Laminar-turbulent transition; Boundary layer; TSP; Cryogenic Ludwieg-Tube Göttingen (KRG); Heat transfer; Linear stability analysis; Intermittent turbulent wedge; Intermittency; Aerodynamics; High-speed

German

Das Verständnis der grundlegenden Prozesse, die zum laminar-turbulenten Grenzschichtumschlag (Transition) auf aerodynamischen Oberflächen führen, ist von großer Bedeutung um den Transitionsbereich korrekt zu beschreiben, zu modellieren oder gar zu beeinflussen. Für viele relevante Strömungsbedingungen ist das Verständnis aufgrund der Herausforderungen von sowohl experimentellen als auch numerischen Studien, begrenzt. In dieser Arbeit werden die Phänomene und Prozesse (insbesondere Turbulenzflecken, Intermittenzverteilung und Turbulenzkeile) des laminar-turbulenten Übergangs einer quasi-zweidimensionalen Grenzschicht über einer ebenen Platte in einer kompressiblen Unterschallströmung bei hohen Reynoldszahlen untersucht, für die nur wenige experimentelle Daten verfügbar sind. Dafür wird die speziell entwickelte und charakterisierte Methode der zeitaufgelösten temperatursensitiven Farbe (iTSP) verwendet. Durchgeführt wurden die Experimente im kryogenen Ludwieg-Rohrwindkanal Göttingen bei Umgebungstemperaturen mit verschiedenen Druckgradienten, Machzahlen im Bereich von $0,3\leq M \leq 0,8$ und lokalen Reynoldszahlen $1\cdot 10^6\leq Re_x \leq 6,5\cdot10^6$ mit hoher zeitlicher (20-100 kHz) und räumlicher (17 px/mm) Auflösung. Eine Ru(phen)-basierte iTSP wurde bezüglich seiner Eignung untersucht und charakterisiert, um die Oberflächentemperatur und Wärmestromdichten quantitativ zu untersuchen. Dabei wurde die Farbe erstmals unter diesen untersuchten Strömungsbedingungen eingesetzt. Der Schwerpunkt der Arbeit lag dabei auf der systematischen Untersuchung von Turbulenzflecken für verschiedene, voneinander unabhängig variierten Strömungsbedingungen. Die charakteristische stromabwärts gerichtete Dreiecksform der Turbulenzflecken mit den abgerundeten Randbereichen konnte für alle Strömungsbedingungen identifiziert werden. Zusätzlich wurden die Konvektionsgeschwindigkeiten der Vorder- und Hinterkante , Ausbreitungs- und Öffnungswinkel sowie die daraus resultierenden Ausbreitungsparameter bestimmt. Es wurde beobachtet, dass sich Turbulenzflecken spannweitig unabhängig voneinander ausbreiten, bis sie sich mit anderen Turbulenzflecken oder Turbulenzkeilen vereinen. Die Konvektionsgeschwindigkeiten der Vorderkante nachfolgender Flecken hingegen ist erheblich verlangsamt, wenn sie sich ungefähr innerhalb einer Länge des vorhergehenden Turbulenzflecks ausbreitet. Mit den aus den zeitaufgelösten iTSP-Daten berechneten Wärmestromdichten war eine direkte Bestimmung der Intermittenzverteilung möglich. Dabei wurde eine gute Übereinstimmung des Umschlagpunkts, definiert als 50% Intermittenz, mit den üblicherweise verwendeten Definitionen für stationäre Oberflächentemperaturmessungen sowie der Intermittenzverteilung im Transitionsbereich mit Modellen aus der Literatur beobachtet. Es konnte gezeigt werden, dass Turbulenzkeile aus einem vollturbulenten Kern und einem intermittierenden Außenbereich bestehen, obwohl letzterer kleiner war als in anderen Untersuchungen beobachtet. Intermittierende Turbulenzkeile konnten zeitlich aufgelöst werden und erwiesen sich als eine Reihe einzelner Turbulenzflecken. Zum ersten Mal konnten instationäre laminar-turbulente Transitionsphänomene für die untersuchten Strömungsbedingungen mit einer thermographischen Oberflächenmesstechnik zeitlich aufgelöst und charakterisiert werden. Die Ergebnisse tragen wesentlich zum Verständnis und zur Modellierung des Transitionsbereichs bei kompressiblen Strömungsbedingungen mit hoher Reynoldszahl bei. Es konnten die Möglichkeiten und Vorzüge dieser neuen zeitaufgelösten iTSP Messtechnik dargestellt werden, um ein neues Verständnis der instationären Transitionsphänomene zu gewinnen.
 
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