1. Beeinflussung wandgebundener
Strömungen mit aktiven Methoden
Per Christian Steimle
Promotionsvortrag
12. Oktober 2009
[Davidson, P. A. (2004) Turbulence – An Introduction for Scientists and Engineers. Oxford Univ. Press]

2. 2
Übersicht
Realisierung aktiver Widerstandsreduktion
(i) Vergleich aktiver Methoden hinsichtlich hoher Reynoldszahl
(ii) Verbleibende Fragestellungen
Motivation zur Widerstandsreduktion
Gegenüberstellung aktiver und passiver Methoden
Aktive Beeinflussung
turbulenter Grenzschichten
(i) Dynamische Strukturen in turbulenten Grenzschichten
(ii) Aktive Methoden der Widerstandsreduktion

3. 3
Der größte Anteil des
Widerstands steht im
Zusammenhang mit
Reibung an ihrer
Außenhaut (etwa 55%)
Auftriebs‐
induzierter
Widerstand
Interferenzwiderstand
Wellenwiderstand
Sonstiger Widerstand
Reibungs­
widerstand
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Zusammensetzung des Gesamtwiderstands eines modernen Verkehrsflug‐
zeugs.
[Schrauf, G., Gölling, B., Wood, N. KATnet – Key Aerodynamic Technologies for Aircraft Performance
Improvement. 5th Community Aeronautical Days, Wien, 2006]
Motivation zur aktiven
Widerstandsreduktion
Beispiel A340 widerstandsreduziert:
Treibstoffeinsparung etwa 3%
Gesamtkostenersparnis etwa 1%
Reduktion der Treibstoffmenge
von 80t auf 77,6t/Flug
Mitnahme von zusätzlichen
15 Passagieren möglich
Theoretischer Gewinn von etwa
1 Mio $/Jahr

4. 4
1990 2000 2020 2030 2040 2050
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
Jahr
CO2­Emission [109t/Jahr]
2010
Entwicklung der Kohlendioxidemissionen des
weltweiten Flugverkehrs.
[International Panel on Climate Change, 2007]
Wesentliche ingenieurwissenschaftliche
Herausforderung ist Reduktion der
Umwelteinflüsse technischer Prozesse
Vorraussetzung für nachhaltige Wirtschafts‐
entwicklung ist bedeutende Steigerung der
Effizienz von Verkehrsträgern
Umwelt
ACARE formuliert Ziele zur Reduktion von
Emissionen des Luftverkehrs bis zum Jahr 2020
50% CO2 im Vergleich zum Jahr 2000
80% NOX zu ICAO CAEP/2‐Grenzwerten
Halbierung des Fluglärms im Vergleich zum Jahr 2000
Entwicklung des Kerosinpreises
[US Energy Information Administration, 2009]
1995 2000 2005 200919901985
1
2
3
4
5
Kerosinpreis [$/Gallone]
Jahr
Wirtschaftlichkeit
17% Anteil des Treibstoffs an direkten
Betriebskosten bei 0,60 $/US‐Gallone Kerosin
38% Anteil bei 1,80 $/US‐Gallone Kerosin
Kerosinpreis Juni 2008 bis zu 4,325 $/US‐Gallone
Treibstoffverbrauch wird zu einer immer
wichtiger werdenden Einflussgröße auf den
ökonomischen Betrieb von Luftfahrzeugen
Motivation zur aktiven
Widerstandsreduktion

5. 5
Schleimabsonderung der Fischhaut
reduziert Oberflächenreibung im Wasser
[Hoyt, J. W. (1975) Hydrodynamic drag reduction due to fish slimes.
In: Wu, T. Y. T., Brokaw, C. J., Brennen, C. (Ed.) Swimming and flying
in Nature, Vol. 2. Plenum, New York, USA]
Verwendung dieses Prinzips zur
Verminderung der Pumpleistung für
Alaska‐Pipeline um etwa 30% durch
Zugabe einer ähnlichen Substanz zum
Rohöl
[Motier, J. F., Carrier, A. M. (1989) Recent studies on polymer drag
reduction in commercial pipelines. In: Sellin, R. H. J., Moses, R. T.
(Ed.) Drag reduction in fluid flows: techniques for friction control.
Ellis Horwood, Chichester, UK]
Verlauf der Alaska Pipeline.
[http://www.pbs.org/wgbh/amex/pipeline/map/index.html]
Großer Barrakuda (Sphyraena barracuda).
[Department of Chemistry and Biochemistry, California State University]
Motivation zur aktiven
Widerstandsreduktion

6. 6
Haifischhaut.
[Reif, W.‐E. (1985) Courier Forschungs‐Institut
Senckenberg, Frankfurt am Main]
Ribletabstand s+
Widerstandsverminderung [%]
s
η
ρ
ρ
τ
s
ν
u
s wτ
==+
0 4 8 12 16 20 24 28
0
-2
-4
-6
-8
-10
s
60°
s
s
Reduktion turbulenten Reibungswiderstands durch Rippenstruktur der
Oberfläche.
[Bechert, D. W., Bruse, M., Hage, W., van der Hoeven, J. G. T., Hoppe, G (1997) J. Fluid Mech. 338 59]
Wirksamkeit passiver Methoden zur Beeinflussung
wandgebundener Strömungen begrenzt auf
Auslegungsbereich
Künstliche dreidimensionale
Rippenstruktur einer Oberfläche.
[Bechert, D. W., Bruse, M., Hage, W., Meyer, R.
(2000) Naturwissenschaften 87 157]
Strömungsrichtung
Motivation zur aktiven
Widerstandsreduktion

7. 7
Rippenstrukturierung einer
Oberfläche unter dem Raster‐
elektronenmikroskop.
[Inst. Bildsame Formgebung, RWTH Aachen]
s
Motivation für aktive Grenzschichtbeeinflussung ist Verbesserung der Wirksamkeit von
passiven Maßnahmen durch Anpassung an lokale Strömungsbedingungen
Mechanismen einer aktiven und passiven Beeinflussung können ähnlich sein
Motivation zur aktiven
Widerstandsreduktion
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0 10 20 30 40 50 60
Länge [m]
Rippenabstand s [mm]
16==+
s
ν
u
s τ
Optimaler Rippenabstand als Funktion der Lauflänge für ein
Verkehrsflugzeug.
Stufenprofil

8. 8
Definition aktiver Methoden
Lokale Absaugung oder Ausblasung
Lokale Wandbewegungen
Elektromagnetische Kräfte in Wandnähe
Absaugöffnungen zur aktiven Grenzschicht‐
beeinflussung an einem Testflügel.
[NASA Dryden Flight Research Center EC95 43286‐1]
Dynamische lokale Wanddeformation zur
Beeinflussung von Grenzschichtstrukturen.
[Kang, S., Choi, H. (2000) Phys. Fluids 12 (12) 3301]
Beeinflussung mit einer Anordnung von Elektro‐
magneten unterschiedlicher Polung.
[Du, Y., Karniadakis, G. E. (2000) Science 288 1230]
Aktive Beeinflussung = Einleiten
einer zeitabhängigen Zwangs­
bedingung in Wandnähe
negative Ladung positive Ladung

9. 9
10
5
10
6
10
7
10
8
10
9
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
x 10
‐3
Rex
Reibungsbeiwert
Transition
Zunahme des Reibungsbeiwerts durch laminar‐turbulen‐
te Transition der Grenzschicht
[Schlichting, H., Gersten, K. (2006) Grenzschichttheorie. 10. Aufl., Springer, Berlin]
Laminare
Grenzschicht
Turbulente
Grenzschicht
Anwendung von
Laminarhaltung
[Joslin, R. D. (1998)
Overview of Laminar
Flow Control. NASA/TP‐
1998‐208705]
Bisherige aktive Methoden zur Widerstandsverringerung konzentrieren sich auf Verhinderung
von Turbulenz durch Laminarhaltung der Grenzschicht
Größter Teil der Oberfläche von Flugzeugen dennoch turbulenter Grenzschicht ausgesetzt!
Definition aktiver Methoden

10. 10
Übersicht
Aktive Beeinflussung
turbulenter Grenzschichten
(i) Dynamische Strukturen in turbulenten Grenzschichten
(ii) Aktive Methoden der Widerstandsreduktion
Motivation zur Widerstandsreduktion
Gegenüberstellung aktiver und passiver Methoden

11. 11
Visualisierung großskaliger Wirbelstrukturen in einer turbulenten Grenzschicht in der x–y‐Ebene.
[Davidson, P. A. (2004) Turbulence – An Introduction for Scientists and Engineers. Oxford Univ. Press]
U
Visualisierung großskaliger Wirbelstrukturen in einer turbulenten Grenzschicht in der x–z‐Ebene.
[Karniadakis, G. E., Choi, K.‐S. (2003) Annu. Rev. Fluid Mech. 35 45]
x
y
x
z
U
Dynamische Strukturen
in turbulenten Grenzschichten

12. 12
Direkte Numerische
Simulation einer
turbulenten Grenzschicht
über einer Platte ohne
Druckgradient.
[Wu, X. & Moin, P. (2009) J. Fluid
Mech. 630 5]
U
4600
4800
5000
x+
x
ρ
τ
ν
x
ν
u
x wτ 1==+
Dynamische Strukturen
in turbulenten Grenzschichten

13. 13
Ungestörte mittlere
Strömung
Kleine Störung und Streckung
eines Wirbelfadens
Streckung zum
Haarnadelwirbel
x
z
y
ωz
ωz
ωz
u‘ > 0
v‘ < 0u‘ < 0
v‘ > 0〈u(y)〉
u̕ u‘ < 0
Mittlere spannweitige Wirbelstärke
ωz < 0 in Wandnähe (Haftbedingung)
Streckung und Stauchung von
spannweitigen Wirbelfäden durch
Geschwindigkeitsfluktuationen
Lange Gebiete niedriger Geschwindigkeit
u̕ < 0 (Low Speed Streak)
Gebiete hoher Geschwindigkeit u̕ > 0 in
Wandnähe (High Speed Sweep)Störung des Wirbelfadens durch
longitudinales Wirbelpaar
ωz
x
z
y
ω
x < 0
ω
x > 0
u‘ < 0
Longitudinalwirbel
Low­Speed­Streak
λ+ /2 ≈ 50
z
Sweep
[Davidson, P. A. (2004) Turbulence – An Introduction for Scientists and Engineers. Oxford Univ. Press]
Wirbelpaare in Strömungsrichtung
Dynamische Strukturen
in turbulenten Grenzschichten

14. 14
500 1000 1500 2000
x+
0
z+
0
800
600
400
200
Instantane
u‐Komponente
aus DNS einer
turbulenten
Kanalströmung.
[Du, Y., Karniadakis, G.
E. (2000) Science 288
1230]
Sweep
Low­Speed­
Streak
Enge Korrelation zwischen Low­Speed­Streaks, Sweeps und Longitudinalwirbeln
Advektion von Fluid durch Longitudinalwirbel führt zu Geschwindigkeits‐Streaks
[Jimenéz, J., Pinelli, A. (1999) J. Fluid Mech. 389 335]
Geschwindigkeits‐Streaks und Wirbel in Strömungsrichtung sind dominante Strukturen des
wandnahen Bereichs
Longitudinales Wirbelpaar
in Korrelation mit Streak‐
Ereignissen
[Kim, J. (2003) Phys. Fluids 15 (5)
1093]z+
y+
Dynamische Strukturen
in turbulenten Grenzschichten

15. 15
Konzeptioneller Zyklus
turbulenter Strukturen
in Wandnähe reduziert
auf eine Struktur.
[Hinze, J. O. (1975) Turbulence.
McGraw‐Hill, New York, USA,
2. Ausgabe]
x
z+
y+
80
40
λ x
≈ 4δ
z
u
u
Ejection
Burst
Ω­wirbel
Ejection:
Aufwärtsinduktion
langsamen Fluids (u‘,v‘)2
Sweep:
Abwärtsinduktion (u̕,v̕)4
von Fluid mit großer
kinetischer Energie
Low­Speed­Streak:
(u̕,v’)3 ‐ Induktion
Produktion von
turbulenter
Schubspannung
in der Region
y+ ≥ 12 durch Q2‐
Ereignisse
Q4‐Ereignisse
dominieren Reynolds‐
Spannungen in
Wandnähe
ω
z < 0
mittlere
Geschwindigkeit
instantane
Geschwindigkeit
starke
Scherung
hohe
Geschwindigkeit
Low Speed Streak
λ+
≈ 100
u̕
v’
1
3
2
4
Dynamische Strukturen
in turbulenten Grenzschichten
Sweep

16. 16
Entstehung von longitudinalen Wirbelstrukturen ωx aus Streak‐Instabilitäten.
[Schoppa, W, Hussain, F. (2002) J. Fluid Mech. 453 57]
ωz
2. Anwachsen einer
Querinstabilität
ωx > 0
ωz
ω
z
ωx < 0
3. Zerfall in
gegensinnige
ωx­Wirbel
z
y
x
ωz
w̕
1. Störung in
Transversal­
richtung
Low
Speed
Streak
Dynamische Strukturen
in turbulenten Grenzschichten

17. 17
Haftbedingung
Mittlere spannweitige
Wirbelstärke ωz < 0
Lokale Stauchung
des Wirbelfadens ωz
Lokale Streckung
des Wirbelfadens ωz
Anheben des Wirbel‐
fadens, Ω‐Wirbel
Weitere
Ω‐Wirbel
Längswirbel ωx
Sweep
u̕ > 0
Low­Speed­
Streak u̕ < 0
Ejection
BurstAbsinken des Wirbel‐
fadens ωz
Zunahme ωzAbnahme ωz
Q2
Q4Q3
0<
∂
′∂
z
w 0>
∂
′∂
z
w
Instabilitäten
Streak‐Zyklus
Vereinfachtes Übersichtsmodell zur Selbsterhaltung turbulenter Strukturen.
Sweep‐ und Ejection‐
Ereignisse produzieren
~80% der Turbulenz‐
energie
Sweep‐Ereignisse
primär verantwortlich
für Entstehung
turbulenter
Wandschubspannung
[Choi 1989, Kravchenko et al.
1993, Orlandi & Jiménez 1994]
ωz
x
z
y
ω
x < 0
ω
x > 0
u‘ < 0
u‘ > 0
Dynamische Strukturen
in turbulenten Grenzschichten

18. 18
Haftbedingung
Mittlere spannweitige
Wirbelstärke ωz < 0
Lokale Stauchung
des Wirbelfadens ωz
Lokale Streckung
des Wirbelfadens ωz
Anheben des Wirbel‐
fadens, Ω‐Wirbel
Weitere
Ω‐Wirbel
Längswirbel ωx
Sweep
u̕ > 0
Low­Speed­
Streak u̕ < 0
Ejection
BurstAbsinken des Wirbel‐
fadens ωz
Zunahme ωzAbnahme ωz
Q2
Q4Q3
0<
∂
′∂
z
w 0>
∂
′∂
z
w
Vereinfachtes Übersichtsmodell zur Selbsterhaltung turbulenter Strukturen.
ωz
x
z
y
ω
x < 0
ω
x > 0
u‘ < 0
u‘ > 0
Instabilitäten
Direkte
Ansteuerung
Dynamische Strukturen
in turbulenten Grenzschichten
Indirekte
Veränderung
turbulenter
Strukturen
Streak‐Zyklus

19. 19
25% Reduktion der Wandschubspannung durch
Unterdrückung der Sweep‐ und Ejection‐Ereignisse
Aktive Methoden der Beeinflussung:
Direkte Ansteuerung von turbulenten Ereignissen
Druckgradient für konstanten Massenstrom der turbulenten
Kanalströmung bei v‐Ansteuerung
[Choi, H., Moin, P., Kim, J. (1994) J. Fluid Mech. 262 75]
ωx
Ausblasung Absaugung
v
­v
Sensor‐
ebene ys
+ ≠ 0
v‐Ansteuerung
z
y
ωx
Ausblasung
w
ys
+
w‐Ansteuerung
z
y
〈u〉‐Komponente der Geschwindigkeit während eines
Sweeps im Abstand x+ = 14 stromab des Aktuators.
[Rebbeck, H., Choi, K.‐S. (2006) Phys. Fluids 18 035103]
0 50‐50
0
10
20
0
10
20
0 50‐50
‐3
‐2
‐1
0
1
2
3
‐3
‐2
‐1
0
1
2
3
y+
z+
y+
ohne Beeinflussung
mit Ansteuerung
Sweep
Sweep
virtuelle Wand
Idee einer direkten Ansteuerung von
Sweep‐Ereignissen.
[Choi, H., Moin, P., Kim, J. (1994) J. Fluid Mech. 262 75]

20. 20
Aktive Methoden der Beeinflussung:
Direkte Ansteuerung von turbulenten Ereignissen
Korrelation zwischen
messbarer Strömungs‐
information an Wand
und Längswirbeln bei
y+ ≈ 10 ... 50?
Reale Umsetzung der
gegenphasigen
Ansteuerung nur mit
geeignetem Kriterium
zur Detektion von
Sweep‐Ereignissen aus
Informationen an der
Wand möglich Kombinierte Wahrscheinlichkeits‐
dichte von gw und v bei y+ = 10.
[Choi, H. et al. (1994) J. Fluid Mech. 262 75]
w
w
y
w
z
g
∂
∂
∂
∂=
RMSg
gw
10RMS =+
y
v
v
w
w
z
p
v
∂
∂
∝
ˆ
ˆ
w
w
y
w
z
v
∂
∂
∂
∂∝ ˆˆVorgabe zur Ansteuerung
[Lee, C., Kim, J., Choi, H. (1998) J. Fluid
Mech. 358 245]
ωx
vw
z
y
+ ­
Induziertes Druckfeld im
Nahbereich eines Längswirbels.
[Lee, C., et al. (1998) J. Fluid Mech. 358 245]
Messgröße
w
w
y
wηzτ
∂
′∂=′ )( )(zpw
′

21. 21
Ansteuerung definiert im Fourier‐Raum, so dass
ortsfeste Information über einen Zeitabschnitt be‐
nötigt wird
Verwendung von mehreren Sensoren gleichzeitig,
um Gradientenbildung zu ermöglichen
Vernetzung notwendig, z. B. über Künstliches
Neuronales Netzwerk (KNN)
[Kim, J. (2003) Phys. Fluids 15 (4) 1093 |
Lee, C., Kim., J., Babcock, D., Goodman, R. (1997) Phys. Fluids 9 (6) 1740]
Aufbau einer Grenzschichtregelung mit künstlichem
neuronalem Netz.
[Lee, C., Kim, J., Babcock, D., Goodman, R. (1997) Phys. Fluids 9 (6) 1740]
Fehler‐
modell
Reduktion der Wandschubspannung mit NN.
[Kim, J. (2003) Phys. Fluids 15 (5) 1094]
x+
z+
z+
ohne Beeinflussung
Regelung mit KNN
Aktive Methoden der Beeinflussung:
Direkte Ansteuerung von turbulenten Ereignissen
w
w
z
p
v
∂
∂
∝
ˆ
ˆ
w
w
y
w
z
v
∂
∂
∂
∂∝ ˆˆ
Vorgaben zur Ansteuerung
[Lee et al. 1998]
N‐S
KNN
Aktuierung
an der Wand
Informationen
an der Wand
Kopie
Inverses
Modell
KNN

22. 22
Aktive Methoden der Beeinflussung:
Direkte Ansteuerung von turbulenten Ereignissen
Seitliche Verlagerung von Sweeps durch dynamischen Erhebung der Oberfläche um
y+ ≈ 10, Reduktion der Meanderbewegung [Carlson, H. A., Lumley J. L. (1996) J. Fluid Mech. 329 341]
Widerstandsreduktion 17% bei Ansteuerung über grobmaschiges Sensor–Aktuator– Netz mit
rückgeführter Regelung [Endo et al. (2000)]
Modell meandernder Low­Speed­Streaks.
[Endo, T., Kasagi, N., Suzuki, Y. (2000) Int. J. Heat Fluid Flow 21 568]
E1
E3
E2
E4
x
z
Sweep
Sweep
Low­Speed­Streak
ωx
ωx
Beeinflussung wandnaher Strukturen mit dynamischer
Wanderhebung.
[Endo, T., Kasagi, N., Suzuki, Y. (2000) Int. J. Heat Fluid Flow 21 568]
12.3 ν/uτ
172 ν/uτ
30 ν/uτ60 ν/uτ
60 ν/uτ
x
z
vm
Sensor
dynamische
Erhebung
0 0 :0 <
∂
∂
∧>
∂
∂
=+
z
τ
z
τ
y wu
E1
w
u
y
uτ +
+
+
∂
′∂=
w
w
y
wτ +
+
+
∂
′∂=

23. 23
Haftbedingung
Mittlere spannweitige
Wirbelstärke ωz < 0
Lokale Stauchung
des Wirbelfadens ωz
Lokale Streckung
des Wirbelfadens ωz
Anheben des Wirbel‐
fadens, Ω‐Wirbel
Weitere
Ω‐Wirbel
Längswirbel ωx
Sweep
u̕ > 0
Low­Speed­
Streak u̕ < 0
Ejection
BurstAbsinken des Wirbel‐
fadens ωz
Zunahme ωzAbnahme ωz
Q2
Q4Q3
0<
∂
′∂
z
w 0>
∂
′∂
z
wInstabilitäten
Streak­Zyklus
Aktive Methoden der Beeinflussung
Vereinfachtes Übersichtsmodell zur Selbsterhaltung turbulenter Strukturen.
ωz
x
z
y
ω
x < 0
ω
x > 0
u‘ < 0
u‘ > 0
Indirekte
Veränderung
turbulenter
Strukturen

24. 24
Gleichrichtung des wandnahen Strömungsfelds durch gegensinnig rotierende 2D‐Längswirbel in
Strömungsrichtung
Allgemeine Dämpfung von Streak‐Meandern, so dass Entstehung neuer Längswirbel ωx durch
Streak‐Instabilität reduziert wird [Schoppa & Hussain 1998]
Unterbrechung des wandnahen Regenerationszyklus von Longitudinalwirbeln kann zu
einer Widerstandsreduktion von 20 – 50% führen!
Aktive Methoden der Beeinflussung:
Indirekte Veränderung turbulenter Strukturen
Veränderung wandnaher Strukturen durch großskalige Beeinflussung ohne Wandinformation.
[Schoppa, W., Hussain, F. (1998) Phys. Fluids 10 (5) 1049]
u
ohne Beeinflussung
Wirbelsteuerung
ohne Beeinflussung
Wirbelsteuerung
y
zπ 2π0
ωx
u ωx

25. 25
Visualisierung wandnaher Strukturen bei spannweitiger Oberflächenoszillation.
[Choi, K.‐S., DeBisshop, J.‐R., Clayton, B. R. (1998) AIAA J. 36 (7) 1157]
Zusätzlicher Wirbelvektor in Strömungsrichtung infolge eingeführter Stokes‐Schicht
Entstehung zusätzlicher Wirbelkomponente ωz < 0 durch Ablenkung der wandnahen Stromlinien
und Verdrehung der wandnahen x‐Wirbelschicht
[Choi et al. 1998 | Karniadakis, G. E., Choi, K.‐S. (2003) Annu. Rev. Fluid Mech. 35 45 | Zhou, D., Ball, K. S. (2006) AIAA‐Paper 2006‐4579]
w+ < 0
ωOsz
w+ > 0
ωOsz
U = 1,5m/s
w+ < 0
w+ > 0
ωOsz ωOsz
w+ < 0
ωOsz
ωOsz
w+ > 0UU = 1.5m/s
w+ < 0
w+ > 0
ωOsz ωOsz
Aktive Methoden der Beeinflussung:
Indirekte Veränderung turbulenter Strukturen
x+
y+
z+
Fz
U
Harmonische
transversale
Anregung
[Jung et al. (1992) Phys.
Fluids A 4 (8) 1605]

26. 26
Aktive Methoden der Beeinflussung:
Indirekte Veränderung turbulenter Strukturen
Geschwindigkeitsvektoren und Fluktuation der Längswirbelstärke aus DNS für unbeeinflusste
turbulente Kanalströmung und spannweitige Wandoszillation.
[Zhou, D., Ball, K. S. (2006) AIAA‐Paper 2006‐4579]
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0 π
50
‐50
y/h
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0 π
z/h
50
‐50
y/h
0
xω
xω
Ohne
Beeinflussung
Harmonische
transversale
Anregung
x+
y+
z+
Fz
U
Periodische Stokes‐Schicht an der oszillierenden Oberfläche
ist Quelle für ±ωx
Seitliche Verschiebung der Streaks relativ zu Longitudinal‐
wirbeln stört Regenerationszyklus für ωx

27. 27
Turbulentes Grenzschichtprofil über spannweitig oszillierender Wand.
[Di Cicca, G. M., Iuso, G., Spazzini, P. G., Onorato, M. (2002) J. Fluid Mech. 467 41]
Grenzschichtbeeinflussung
durch Wirbelvektor am
Rand der viskosen Unter‐
schicht.
[Choi, K. S. (2002) Phys. Fluids 14 (7)
2530]
Reduktion des mittleren Geschwindigkeitsgradienten an der Wand
[Jung et al. 1992, Laadhari et al. 1994, Di Cicca et al. 2002]
Erhöhung der mittleren Geschwindigkeit in logarithmischer Region
[Di Cicca et al. 2002, Choi et al. 2002]
U(y)
ωOsz < 0z
Aktive Methoden der Beeinflussung:
Indirekte Veränderung turbulenter Strukturen
Ohne Beeinflussung
Ohne Beeinflussung
[De Graaf & Eaton 2000]
Oszillation; uτ kanonische GS
Oszillation
100 1000101
0
5
10
15
20
25
y+
u+
x+
y+
z+
Fz
U

28. 28
Aktive Methoden der Beeinflussung:
Indirekte Veränderung turbulenter Strukturen
Fortschreitende
transversale
Wellenanregung
[Du & Karniadakis 2000]
x+
y+
z+
Fz
U
Fz
Zeit
z+
x+
Sekundärströmung erzeugt
durch fortschreitende
transversale Lorentzkräfte.
[Du, Y., Karniadakis, G. E. (2000) Science
288 1230]
negative Ladung
positive Ladung
w̕ > 0 w̕ < 0
spannweitige
Wellenlänge

29. 29
Instant. Verteilung
der u‐Komponente
aus DNS für turb.
Kanalströmung.
[Du, Y., Karniadakis, G. E.
(2000) Science 288 1230]500
0
1000 1500 2000
800
600
400
200
0
z+
x+
800
600
400
200
0
z+
Sweep
Low­Speed­
Streak
Fortschreitende
transversale
Lorentzkräfte
ohne
Beeinflussung
Aktive Methoden der Beeinflussung:
Indirekte Veränderung turbulenter Strukturen

30. 30
Niedergeschwin‐
digkeitsband
Verteilung der instantanen Geschwindigkeit und Wirbelstärke in Strömungsrichtung im
Abstand y+ = 4 von der Wand, Anregung mit transversalen Oberflächenwellen.
[Karniadakis, G. E., Choi, K.‐S. (2003) Annu. Rev. Fluid Mech. 35 45]
5000 1000 1500 2000
800
700
600
500
400
300
200
100
0
5000 1000 1500 2000
800
700
600
500
400
300
200
100
0
x+
z+z+
Max.
Knoten
Min.
Knoten
Max.
Knoten
Min.
Knoten
u
ωx Stabilisierung
wandnaher
Streak‐Strukturen
durch Reduktion
der Meander‐
bewegung
Abschwächung der
Turbulenz‐
produktion durch
Störung des wand‐
nahen Zyklus
Aktive Methoden der Beeinflussung:
Indirekte Veränderung turbulenter Strukturen

31. 31
Zeitlicher Verlauf der normierten Widerstandskraft für Beeinflussung mit
einer transversalen Oberflächenwelle mit λz
+ = 840 und I ∙ T+ ∙ Δ = 1.
[Karniadakis, G. E., Choi, K.‐S. (2003) Annu. Rev. Fluid Mech. 35 45]
50
t+
100 1500
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
1.2
Normierter Widerstand
ohne Beeinflussung
I = 0.25, T+ = 100, Δ = 0.04
I = 1, T+ = 50, Δ = 0.02
I = 0.5, T+ = 50, Δ = 0.04
I ∙ T+ ∙ Δ = C
Widerstandsreduktion wird
bestimmt durch invariantes
Parameterprodukt
I ∙ T+ ∙ Δ = C
Aufgabe ist Finden der
optimaler Wellenparameter
für maximale Widerstands‐
reduktion
Auch Widerstandserhöhung
durch diese Methode
möglich, z. B. bei zu kleiner
Frequenz
Amplitude Wirkungslänge
Schwingungsdauer
T+ = T uτ
2/ν
C = 1 für Reτ = 150
Aktive Methoden der Beeinflussung:
Indirekte Veränderung turbulenter Strukturen
x+
y+
z+
Fz
U

32. 32
Realisierung aktiver Widerstandsreduktion
(i) Vergleich aktiver Methoden hinsichtlich hoher Reynoldszahl
(ii) Verbleibende Fragestellungen
Aktive Beeinflussung
turbulenter Grenzschichten
(i) Dynamische Strukturen in turbulenten Grenzschichten
(ii) Aktive Methoden der Widerstandsreduktion

33. 33
Aktive Beeinflussung bei hoher Reynoldszahl
Fußabdruck von Superstrukturen an der Wand gemessen mit Wandschubspannungssensor MPS3.
[Große, S., Schröder, W. (2009) AIAA J. 47 (2) 314]
500 1000 1500 2000
x+
0
0
50
‐50
z+
2
1
0
‐1
x
x
τ
τ '
Bisherige Grundlagenuntersuchungen nur bei niedrigen Reynoldszahlen
Wandzyklus autonom und unabhängig von Reynoldszahl [Jiménez, J., Pinelli, A. (1999) J. Fluid Mech. 389 335]
Lange zusammenhängende Gebiete positiver und negativer Geschwindigkeitsfluktuation
beobachtet in logarithmischer und unterer Außenschicht = Superstrukturen
[Hutchins, N., Marusic, I. (2007) J. Fluid Mech. 579 1]
Reynoldszahlabhängige Beeinflussung des wandnahen Turbulenzzyklus durch Fußabdrücke der
Superstrukturen, so dass die Intensitätsspitze turbulenter Fluktuationen im wandnahen Bereich
mit Reynoldszahl ansteigt [Hutchins & Marusic 2007]

34. 34
Grobe Abschätzung von Raum‐Zeit‐Skalen kohärenter Strukturen.
[Kasagi, N., Suzuki, Y., Fukagata, K. (2009) Annu. Rev. Fluid Mech. 41 231]
Direkte Ansteuerung
turbulenter Strukturen
benötigt flächig hochaufgelöste
Messung von verwendbaren
Wandinformationen (τw oder
pw)
Abschätzung wahrscheinlich‐
ster Durchmesser von Längs‐
wirbeln d+ ≈ 30
[Kim, J., Moin, P., Moser, R. (1987) J. Fluid Mech.
177 133]
Prominente Frequenzen:
Wandschubspannungs‐
fluktuationen f+ = 0,012 (τ̕w,x)
bzw. f+ = 0,037 (τ̕w,z),
Wanddruckfluktuationen
f+ = 0.048
[Hu, Z. W., Morfey, C. L., Sandham, N. D. (2006)
AIAA J. 44 1541]
Flugzeug
Hoch
geschwindig‐
keitszug
Automobil
Ölpipeline
Gaspipeline
Schiff
Hochdruck‐
Gaspipeline
kin. Viskosität
Reynoldszahl
Mittlerer Durchmesser Longitudinalwirbel [mm]
Frequenz [kHz]
1000
100
10
1
0.1
0.01
0.001
0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000
d+ = 30
f+ = 0,01
Aktive Beeinflussung bei hoher Reynoldszahl
f
u
νf
τ
2
=+
d
ν
u
d τ
=+

35. 35
60mm
2.4
14mm
0.2mm
Sensor/Aktuatordichte
für Widerstands‐
reduktion an einem
Flugzeug im Reiseflug
(M=0,77) etwa 105/m2
[Wilkinson, S. P. (1990) Interactive wall
turbulence control. In: Bushnell, D. M.,
Hefner, J. N. (Ed.) Viscous Drag Reduction
in Boundary Layers S. 479‐509. AIAA,
Washington D. C., USA]
Systeme derzeit weitaus
zu teuer und kompliziert
Bis heute kein erfolg‐
reicher experimenteller
Nachweis von Netto‐
Widerstandsreduktion
mit Strategie der
gezielten
[Kasagi et al. 2009]Sensor‐Aktuator‐Netzelement aus Heißfilmsensoren und elektromagnetischen
Aktuatoren zur Wanddeformation.
[Yoshino, T., Suzuki, Y., Kasagi, H. (2008) J. Fluid Sci. Technol. 3 137]
Aktive Beeinflussung bei hoher Reynoldszahl

36. 36
Mittlere wandnahe Sekundärströmung
induziert durch transversale
Oberflächenwelle, λz
+ = 840, T+ = 50.
[Klumpp, S., Meinke, M., Schröder, W. (2009) J. Turb.
(eingereicht)]
Großskalige Beeinflussung nicht nur über Lorentzkräfte, sondern auch mit wandnormaler
Auslenkung der Oberfläche erreichbar
Erste Large‐Eddy Simulation wie auch experimentelle Untersuchung turbulenter
Plattengrenzschicht zeigt Widerstandsreduktion bis zu 7%, ohne Optimierung für den
Strömungsfall [Klumpp, S., Meinke, M., Schröder, W. (2009) J. Turb. (eingereicht)]
0 200 400 600 800
z+
0
100
200
300
y+
v/U∞
0.175
‐0.175
0
0.075
‐0.075
0 200 400 600 800
z+
0
100
200
300
y+
w/U∞
‐0.185
0.165
0
0.1
‐0.1
y+
x+
z+
U
λ z
+
Aktive Beeinflussung bei hoher Reynoldszahl

37. 37
50002702.5 x 109Schiff
500882 ... 8 x 107Transport‐
flugzeug
f [Hz]λz [mm]τw [Pa]Re
y+
x+
z+
U
λ z
+
Offene Fragestellung ist nach wie vor die Effizienz der aktiven Beeinflussungmethode und
die erzielbare Netto­Widerstandsreduktion
Weitere Grundlagenuntersuchungen zur Wirksamkeit von Beeinflussungsstrategien bei
hohen Reynoldszahlen notwendig (z. B. Projekt CICLoPE, Università di Bologna)
Verbleibende Fragestellungen
Realitätsnahe Methode, da kein hochaufgelöstes
Sensor‐Aktuator‐Netzwerk benötigt wird
Aktive Widerstandsreduktion über großskalige
Beeinflussung kommt in Reichweite technischer
Umsetzbarkeit
Parameter der fortschreitenden transversalen Anregung für An‐
wendungsfälle bei T+ = 50, λz
+ = 840.

38. 38
[Davidson, P. A. (2004) Turbulence – An Introduction for Scientists and Engineers. Oxford Univ. Press]