Experimental investigation of the flow over macroscopic hexagonal structured surfaces

Experimentelle Untersuchung der Strömung über makroskopisch strukturierte Oberflächen

  • The flow over macroscopic patterned/structured surfaces was investigated in a subsonic wind tunnel over Reynolds numbers ranging from 3.14 x 104 to 2.77 x 105 for cylinders and from 5.34 x 105 to 11.27 x 106 for plates. The investigations were accomplished by measuring local and global drag, velocity profiles and by visualization of the flow above the surface. The investigations on structured cylinders revealed that a cylinder with outwardly curved structures has a drag coefficient of about 0.65 times of a smooth one. Flow visualization was carried out by using oil-film technique and velocity profile measurements to elucidate the observed effect, and hence present the mechanism responsible for the observed drag reduction. The near-wall velocity profiles above the surface revealed that a hexagonal bump induces local separation generating large turbulence intensity along the separating shear layer. Due to this increased turbulence, the flow reattaches to the surface with a higher momentum and become able to withstand the pressureThe flow over macroscopic patterned/structured surfaces was investigated in a subsonic wind tunnel over Reynolds numbers ranging from 3.14 x 104 to 2.77 x 105 for cylinders and from 5.34 x 105 to 11.27 x 106 for plates. The investigations were accomplished by measuring local and global drag, velocity profiles and by visualization of the flow above the surface. The investigations on structured cylinders revealed that a cylinder with outwardly curved structures has a drag coefficient of about 0.65 times of a smooth one. Flow visualization was carried out by using oil-film technique and velocity profile measurements to elucidate the observed effect, and hence present the mechanism responsible for the observed drag reduction. The near-wall velocity profiles above the surface revealed that a hexagonal bump induces local separation generating large turbulence intensity along the separating shear layer. Due to this increased turbulence, the flow reattaches to the surface with a higher momentum and become able to withstand the pressure gradient delaying the main separation significantly. Besides that, the separation does not appear to occur in a straight line along the length of the cylinder, but follow the curved path forming a wave with its crest at 115° and trough at 110°, in contrast to the laminar separation line at 85° on a smooth cylinder. Investigations on structured plates were performed with the help of hot wire anemometry and oil film interferometry. The main concern of the experiments on structured plates was to examine the effect of hexagonal structures on local and global drag of a structured plate. It was accomplished by determining and analyzing the boundary layer quantities like shear stress velocities, shear stress coefficients and momentum thicknesses over a selected Reynolds number range and various locations in streamwise direction. The results indicate that the values of shear stress coefficients measured by the conventional Clauser chart method are up to 13% higher than the ones deduced by the Oil film Interferometry. Additionally, a maximum of 19% reduction in shear stress coefficient behind the inwardly curved structured plate was observed. On the other hand, a dramatic increase of about 120% in global drag coefficient supersedes the observed reduction in shear stresses at rear of the test plates. Investigations on individual hexagonal structures by measuring the shear stresses and the pressure distribution above the surface revealed that an uneven pressure distribution contributing in total drag force is responsible for a huge increase in global skin drag coefficient. Finally, a number of configurations of a wind turbine made of smooth and structured blades were investigated to compare their efficiencies at various flow velocities. No significant deviation in the efficiencies was observed.show moreshow less
  • Im Rahmen dieser Arbeit, wurde die Strömung über makroskopisch strukturierten Oberflächen in einem Unterschall-Windkanal untersucht. Die Untersuchungen erfolgten bei Reynolds-Zahlen von 3.14 x 104 bis 2.77 x 105 für Zylinder und von 5.34 x 105 bis 11.27 x 106 für Platten. Weiterhin wurden Messungen lokaler und globaler Widerstände, von Strömungsvisualisierungen und Geschwindigkeitsprofilen durchgeführt. Das Ziel der Untersuchungen an Zylindern war, den Einfluss dieser Strukturen auf die Strömungsgrößen wie Druckwiderstand und Wirbelablösefrequenzen zu ermitteln. Die Untersuchungen zeigten, dass der strukturierte Zylinder mit nach außen gewölbten Strukturen einen Widerstandkoeffizient mit einem Faktor von 0,65 dem eines glatten Zylinders aufweist. Messungen wurden durchgeführt mit der Öl-Film Methode und der Hitzdraht Anemometrie. Die Geschwindigkeitsprofile in der Nähe der Wand zeigten, dass eine Hexagonal Struktur eine lokale Ablösung verursacht und dadurch die Turbulenz in der Grenzschicht erhöht. Aufgrund des erhöhtenIm Rahmen dieser Arbeit, wurde die Strömung über makroskopisch strukturierten Oberflächen in einem Unterschall-Windkanal untersucht. Die Untersuchungen erfolgten bei Reynolds-Zahlen von 3.14 x 104 bis 2.77 x 105 für Zylinder und von 5.34 x 105 bis 11.27 x 106 für Platten. Weiterhin wurden Messungen lokaler und globaler Widerstände, von Strömungsvisualisierungen und Geschwindigkeitsprofilen durchgeführt. Das Ziel der Untersuchungen an Zylindern war, den Einfluss dieser Strukturen auf die Strömungsgrößen wie Druckwiderstand und Wirbelablösefrequenzen zu ermitteln. Die Untersuchungen zeigten, dass der strukturierte Zylinder mit nach außen gewölbten Strukturen einen Widerstandkoeffizient mit einem Faktor von 0,65 dem eines glatten Zylinders aufweist. Messungen wurden durchgeführt mit der Öl-Film Methode und der Hitzdraht Anemometrie. Die Geschwindigkeitsprofile in der Nähe der Wand zeigten, dass eine Hexagonal Struktur eine lokale Ablösung verursacht und dadurch die Turbulenz in der Grenzschicht erhöht. Aufgrund des erhöhten Turbulenzgrades legt sich die Strömung mit einem höheren Impuls an die Oberfläche an und ist somit fähig einen negativen Druckgradienten zu überstehen. Als Folge ist die Hauptablösung deutlich verzögert. Außerdem findet die Ablösung nicht linear und senkrecht zur Strömung statt, sondern in Form einer Welle mit ihrem Maximum bei 115° und Minimum bei 110°. Dies steht im Gegensatz zu der laminaren Ablöselinie bei 85° für glatte Zylinder. Die strukturierten Platten wurden ebenfalls mit der Hitzdraht Anemometrie und der Öl-Film Interferometrie untersucht. Das Ziel bei diesen Untersuchungen war es den Einfluss von hexagonalen Strukturen auf den lokalen und globalen Widerstand einer strukturierten Platte zu ermitteln. Über die Clauser-Chart Methode bestimmte Scherspannungen sind etwa 13% höher als die mit der Öl-Film Interferometrie ermittelten Werte. Zudem wurde eine Minderung von ca. 19% der Scherspannung hinter einer strukturierten Platte festgestellt. Der globale Widerstand der gesamten Platte steigt gleichzeitig dramatisch um 120%. Durch Messen der Scherspannung und der Druckverteilung über den individuellen Strukturen ist festgestellt worden, dass die unregelmäßige Druckverteilung einen zusätzlichen Druckwiderstand erzeugt und für die enorme Vergrößerung des globalen Widerstandes verantwortlich ist. Letztendlich, wurde eine Vielzahl an Konfigurationen einer aus flachen als auch strukturierten Schaufeln gefertigten Windturbine bei unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten untersucht. Es konnte keine deutliche Änderung im Wirkungsgrad der Turbine aus strukturierten Schaufeln festgestellt werden.show moreshow less

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Metadaten
Author: Mohammad Usman Butt
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-30555
Referee / Advisor:Prof. Dr.-Ing Christoph Egbers
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2013
Date of final exam:2014/04/09
Release Date:2014/07/17
Tag:Aerodynamik; Hitzdraht Anemometrie; Widerstandsreduzierung; Öl-Film Interferometrie
Aerodynamics; Drag reduction; Hot wire anemometry; Oil film interferometry
GND Keyword:Hitzdrahtanemometer; Turbulente Grenzschicht; Strömungsfeld; Strömungsmesstechnik
Institutes:Fakultät 3 Maschinenbau, Elektro- und Energiesysteme / FG Aerodynamik und Strömungslehre
Institution name at the time of publication:Fakultät für Maschinenbau, Elektrotechnik und Wirtschaftsingenieurwesen (eBTU) / LS Aerodynamik und Strömungslehre
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.
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