Stoßinduzierte Strömungsablösung in transitionellen Grenzschichten

Shock-induced flow separation in transitional boundary layers

by Jens Bernard Lunte
Doctoral thesis
Date of Examination:2021-12-02
Date of issue:2022-01-21
Advisor:Prof. Dr. Dr. Andreas Dillmann
Referee:Prof. Dr. Dr. Andreas Dillmann
Referee:Prof. Dr. Martin Rein
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-9050

 

 

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Description: Dissertation

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Abstract

English

The effects of transitional shock-wave/boundary-layer interactions (SWBLI) on the induced heat loads and the development of the laminar-turbulent transition are the subject of this work. Experimental investigations were conducted in the Ludwieg-Tube Facility at DLR Göttingen at Mach 6 on a flat plate. The flow topology was investigated by shadowgraphy and the heat flux density was determined via quantitative infrared thermography. Additionally, the pressure and density fluctuations within the boundary layer were detected using pressure sensors and focused laser differential interferometry, respectively. Different methods for quantifying the transition progress were compared and revealed systematic deviations in the intermittency distribution. The discrepancies could be explained by the experimental implementation and are within the accuracy of the measurements. Using a two-dimensional impinging shock, the impingement position (x_imp), the shock intensity, and the location of the natural transition were systematically and independently varied. The measurements show a systematic influence of the varied parameters on the heat flux distribution. In this context, the maximum shock-induced dimensionless heat flux density St_max correlates with the transition end of the boundary layer. The length until the transition completes and the value of St_max depend critically on the combination of the shock intensity and the boundary layer state at x_imp. Scaling the relative position of the shock impingement point with the length of the undisturbed transition region yields a uniform distribution of the normalized St_max values. For normalization, the influence of the shock intensity is taken into account with the scaling law of Holden (1977) and a reference value derived from the undisturbed St-distribution is used. The highest heat transfer amplifications are observed in transitional SGWW.
Keywords: laminar-turbulent transition; SWBLI; transition; Mach 6; heat flux density; focused laser differential interferometry

German

Die Auswirkungen von transitionellen Stoß-Grenzschicht-Wechselwirkungen (SGWW) auf die induzierten Wärmelasten und den Verlauf des laminar-turbulenten Umschlags sind Thema dieser Arbeit. Experimentelle Untersuchungen wurden bei Mach 6 am Rohrwindkanal Göttingen an einer ebenen Platte durchgeführt. Die Strömungstopologie wurde mittels Schattenaufnahmen untersucht und die Wärmestromdichte über quantitative Infrarotthermographie bestimmt. Zusätzlich wurden die Druck- und Dichteschwankungen innerhalb der Grenzschicht mittels Drucksensoren bzw. fokussierter Laser-Differentialinterferometrie detektiert. Verschiedene Verfahren zur Quantifizierung des Transitionsfortschrittes wurden anhand der Messdaten verglichen und lieferten systematische Abweichungen in der Intermittenzverteilung. Die Abweichungen ließen sich anhand der experimentellen Implementierung erklären und liegen im Rahmen der Messgenauigkeit. Unter Verwendung eines zweidimensionalen einfallenden Stoßes wurde systematisch und unabhängig die Stoßauftreffposition (x_imp), die Stoßintensität sowie die Lage der natürlichen Transition variiert. Die Messungen zeigen einen systematischen Einfluss der variierten Parameter auf die räumliche Verteilung der Wärmestromdichte. Hierbei korreliert die maximale stoßinduzierte dimensionslose Wärmestromdichte St_max mit dem Transitionsende der Grenzschicht. Die Entfernung bis zum Transitionsende und derWert von St_max hängen maßgeblich von der Kombination aus Stoßintensität und dem Grenzschichtzustand bei x_imp ab. Durch eine Skalierung der relativen Lage der Stoßauftreffposition mit der Länge des ungestörten Transitionsgebietes ergibt sich eine einheitliche Verteilung der normierten St_max-Werte. Für die Normierung wird zum einen der Einfluss der Stoßintensität mit dem Skalierungsgesetz von Holden (1977) berücksichtigt und zum anderen ein aus der ungestörten St-Verteilung abgeleiteter Referenzwert verwendet. Die höchsten Wärmestromverstärkungen werden bei transitionellen SGWW beobachtet.
 
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