TY - JOUR A1 - Hasanuzzaman, Gazi A1 - Eivazi, Hamidreza A1 - Merbold, Sebastian A1 - Egbers, Christoph A1 - Vinuesa, Ricardo T1 - Enhancement of PIV measurements via physics-informed neural networks T1 - Verbesserung von PIV-Messungen durch physikinformierte neuronale Netze N2 - Physics-informed neural networks (PINN) are machine-learning methods that have been proved to be very successful and effective for solving governing equations of fluid flow. In this work we develop a robust and efficient model within this framework and apply it to a series of two-dimensional three-component (2D3C) stereo particle-image velocimetry datasets, to reconstruct the mean velocity field and correct measurements errors in the data. Within this framework, the PINNsbased model solves the Reynolds-averaged-Navier-Stokes (RANS) equations for zeropressure-gradient turbulent boundary layer (ZPGTBL) without a prior assumption and only taking the data at the PIV domain boundaries. The TBL data has different flow conditions upstream of the measurement location due to the effect of an applied flow control via uniform blowing. The developed PINN model is very robust, adaptable and independent of the upstream flow conditions due to different rates of wall-normal blowing while predicting the mean velocity quantities simultaneously. Hence, this approach enables improving the mean-flow quantities by reducing errors in the PIV data. For comparison, a similar analysis has been applied to numerical data obtained from a spatially-developing ZPGTBL and an adverse-pressure-gradient (APG) TBL over a NACA4412 airfoil geometry. The PINNs-predicted results have less than 1% error in the streamwise velocity and are in excellent agreement with the reference data. This shows that PINNs has potential applicability to shear-driven turbulent flows with different flow histories, which includes experiments and numerical simulations for predicting high-fidelity data. N2 - Physikalisch informierte neuronale Netze (PINN) sind Methoden des maschinellen Lernens, die sich als sehr erfolgreich und effektiv bei der Lösung von Strömungsgleichungen erwiesen haben. In dieser Arbeit entwickeln wir ein robustes und effizientes Modell in diesem Rahmen und wenden es auf eine Reihe von zweidimensionalen Drei-Komponenten-Stereo-Partikel-Bild-Velocimetrie-Datensätzen (2D3C) an, um das mittlere Geschwindigkeitsfeld zu rekonstruieren und Messfehler in den Daten zu korrigieren. In diesem Rahmen löst das PINN-basierte Modell die Reynolds-gemittelten-Navier-Stokes-Gleichungen (RANS) für die turbulente Grenzschicht mit Null-Druckgradienten (ZPGTBL) ohne vorherige Annahmen und nur unter Verwendung der Daten an den PIV-Domänengrenzen. Die TBL-Daten weisen unterschiedliche Strömungsbedingungen stromaufwärts des Messortes auf, was auf die Wirkung einer angewandten Strömungskontrolle durch gleichmäßiges Blasen zurückzuführen ist. Das entwickelte PINN-Modell ist sehr robust, anpassungsfähig und unabhängig von den stromaufwärts gelegenen Strömungsbedingungen aufgrund unterschiedlicher Raten des Wandnormalblasens bei gleichzeitiger Vorhersage der mittleren Geschwindigkeitsgrößen. Daher ermöglicht dieser Ansatz eine Verbesserung der mittleren Strömungsgrößen durch Reduzierung der Fehler in den PIV-Daten. Zum Vergleich wurde eine ähnliche Analyse auf numerische Daten angewandt, die von einer sich räumlich entwickelnden ZPGTBL und einer TBL mit ungünstigem Druckgradienten (APG) über einer NACA4412-Schaufelgeometrie gewonnen wurden. Die von PINNs vorhergesagten Ergebnisse haben einen Fehler von weniger als 1% in der Strömungsgeschwindigkeit und stimmen hervorragend mit den Referenzdaten überein. Dies zeigt, dass PINNs das Potenzial hat KW - Machine learning KW - Particle image velocimetry KW - Turbulent boundary layer KW - Large Eddy Simulation KW - Measurement KW - Maschinelles Lernen KW - Turbulente Grenzschicht KW - Physikalisch informiertes neuronales Netz KW - Messung KW - Turbulente Grenzschicht KW - Neuronales Netz KW - Maschinelles Lernen KW - Particle-Image-Velocimetry Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1088/1361-6501/aca9eb ER - TY - THES A1 - Hasanuzzaman, Gazi T1 - Experimental investigation of turbulent boundary layer with uniform blowing at moderate and high Reynolds numbers T1 - Experimentelle Untersuchung einer turbulenten Grenzschicht mit gleichmäßigem Mikro-Ausblasen bei mittlerer und hoher Reynoldszahl N2 - Experimental investigation in turbulent boundary layer flows represents one of the canonical geometries of wall bounded shear flows. Utmost relevance of such experiments, however, is applied in the engineering applications in aerospace and marine industries. In particular, continuous effort is being imparted to explore the underlying physics of the flow in order to develop models for numerical tools and to achieve flow control. Within the scope of this Ph. D. topic, application of active control method such as micro-blowing effect in the incompressible, zero pressure gradient turbulent boundary layer was investigated. Turbulent boundary layer flow is particularly interesting as well as challenging due to the presence of different interacting scales which are increasingly becoming significant as the flow inertial conditions keeps growing. Therefore, energy content of the coherent structures in outer layer becomes stronger and necessitates measurements in relatively large Reynolds number. Present control experiments in turbulent boundary layer can be split into two different work segments, where one is objected towards the data measurements in turbulent boundary layer over smooth surface with and without any external perturbation. Here, perturbation is applied in the form of wall normal blowing while keeping the magnitude of blowing very low compared to the free stream velocity. For the subsequent results reported here, magnitude of blowing ratio was varied between 0%~6%. In the first part of the present thesis e.g. 0.415×10e+3≤Reτ≤1.160×10e+3, measurements were performed at the Brandenburg University of Technology wind tunnel. Non-intrusive Laser Doppler Anemometry was applied to carry out a series of measurements on a zero pressure gradient flat plate turbulent boundary layer. Blowing ratio through the perforated surface was varied between 0.17%~1.52% of the free stream velocity. To a maximum of 50% reduction in friction drag was achieved. For the measurements on the upper range of the stated Reynolds number, were conducted at the boundary layer wind tunnel. This boundary layer wind tunnel offers a spatially developed turbulent boundary layer over a flat plate within 2.2×10e+3≤Reτ≤5.5×10e+3 with an excellent spatial resolution. With the help of Stereo Particle Image Velocimetry technique, measurement of the velocity components were obtained covering entire boundary layer in streamwise wall normal plane. In addition, time resolved measurements were also obtained in spanwise and wall-normal plane in order to look into the morphology of turbulent structures immediately above the blowing area. N2 - Experimentelle Untersuchungen in turbulenten Grenzschichtströmungen stellen eine der kanonischen Geometrien wandgebundener Scherströmungen dar. Die größte Relevanz solcher Experimente liegt in den ingenieurtechnischen Anwendungen in der Luft-und Raumfahrt sowie in der Schifffahrt. Insbesondere wird kontinuierlich daran gearbeitet, die zugrunde liegende Physik der Strömung zu erforschen, um numerische Modelle zu entwickeln und eine Strömungssteuerung zu ermöglichen. Im Rahmen dieses Promotionsthemas soll der Reibungswiderstand von Unterschall-Transportflugzeugen reduziert werden. Daher wurde die Anwendung einer aktiven Regelungsmethode, wie z.B. dem Effekt des Mikro-Ausblasens, in der inkompressiblen turbulenten Grenzschicht mit Nulldruckgradienten untersucht. Eine Reihe von Experimenten wurde in zwei verschiedenen Windkanälen durchgeführt. Für die Messungen wurde der Windkanal des Lehrstuhls für Aerodynamik und Strömungsmechanik (LAS) für den mittleren Reynoldszahlenbereich genutzt, in Zusammenarbeit mit dem Laboratoire de Mécanique de Feriet Lille (LMFL) der Windkanal für den großen Reynoldszahlenbereich. Heutige Kontrollexperimente in der turbulenten Grenzschicht können in zwei verschiedene Arbeitsbereiche aufgeteilt werden, wobei der eine auf die Datenmessungen in der turbulenten Grenzschicht über glatter Oberfläche mit und ohne externe Störung gerichtet ist. Hier wird die Störung in Form von orthogonaler Wandanblasung erzeugt, wobei die Größe der Anblasung im Vergleich zur freien Strömungsgeschwindigkeit sehr gering gehalten wird. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit werden Messungen im BTU-Windkanal vorgestellt, welche beispielsweise für einen Bereich von 0, 415×10e+3 ≤ Reτ ≤ 1, 160×10e+3 durchgeführt wurden. Mit der nicht-intrusiven Laser-Doppler-Anemometrie wurde eine Messreihe an einer turbulenten Plattengrenzschicht mit Nulldruckgradienten durchgeführt. Es wurde eine maximale Verringerung des Reibungswiderstandes von 50% erreicht. Die Messungen im oberen Bereich der angegebenen Reynoldszahl wurden im Grenzschichtwindkanal des LMFL durchgeführt. Dieser Grenzschichtwindkanal bietet eine räumlich entwickelte und hervorragend aufgelöste turbulente Grenzschicht über einer ebenen Platte in einem Bereich von 2,2×10e+3 ≤ Reτ ≤ 5,5×10e+3. Mit Hilfe der 3D Stereo Particle Image Velocimetry Technik wurden Messungen der Geschwindigkeitskomponenten in der strömungsseitigen Wandnormalen Ebene gemacht. Darüber hinaus wurden auch zeitaufgelöste Messungen in der Spannweiten- und Wandnormalebene durchgeführt, um die Morphologie der turbulenten Strukturen unmittelbar über dem Einblasbereich zu untersuchen. KW - Turbulent boundary layer KW - Drag reduction KW - Particle Image Velocimetry (PIV) KW - Laser Doppler Anemometry (LDA) KW - Friction drag KW - Turbulente Grenzschicht KW - Particle Image Velocimetry KW - Laser-Doppler-Anemometrie KW - Mikro-Ausblasen KW - Reibungswiderstand KW - Turbulente Grenzschicht KW - Particle-Image-Velocimetry KW - Reibungswiderstand KW - Laser-Doppler-Anemometrie KW - Ausblasen Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-55660 ER - TY - THES A1 - Maltese Meletti de Oliveira, Gabriel T1 - High-performance computing and laboratory experiments on strato-rotational instabilities T1 - Hochleistungsrechnen und Laborexperimente zu Strato-Rotationsinstabilitäten N2 - Stratified vortices can be found from small to large scales in geophysical and astrophysical flows. On the one hand, tornadoes and hurricanes can lead to devastation and even a large number of casualties. On the other hand, vortices can distribute heat and momentum in the atmosphere which is important for a habitable environment on Earth. In the astrophysical context, accretion disks (from which solar systems are formed) can be seen as stratified vortices. In such systems, understanding the mechanisms that can result in an outward transport of angular momentum is a central problem. For a planet or star to be formed in a disk, angular momentum has to be carried away from its center to allow matter aggregation by gravity; otherwise, its rotation speed would be far too large, avoiding this matter aggregation (and the consequent star formation) to happen. In such gas systems, turbulence is the most likely mechanism to achieve such a large angular momentum transport. However, it was shown that the flow profile of accretion disks is stable with respect to purely shear instabilities, and the question arises about how the turbulence can be generated. Among other candidates, the strato-rotational instability (SRI) has attracted attention in recent years. The SRI is a purely hydrodynamic instability that can be modeled by a classical Taylor-Couette (TC) system with stable density stratification due to axial salinity or temperature gradients. In this thesis, a combined experimental and high-performance computing study of new specific behaviors of the strato-Rotational Instability (SRI) is performed. The density stratification causes a change in the marginal instability transition when compared to classical non-stratified TC systems, making the flow unstable in regions where – without stratification – it would be stable. This characteristic makes the SRI a relevant phenomenon in planetary and astrophysical applications, particularly in accretion disk theory. Despite many advances in the understanding of strato-rotational flows, the confrontation of experimental data with non-linear numerical simulations remains relevant, since it involves linear aspects and non-linear interactions of SRI modes which still need to be better understood. These comparisons also reveal new non-linear phenomena and patterns not yet observed in the SRI, that can contribute to our understanding of geophysical flows. N2 - Geschichtete Wirbel können mit unterschiedlichen Skalen in geophysikalischen und astrophysikalischen Strömungen gefunden werden. Einerseits können Tornados und Hurrikane zu Verwüstungen und sogar zu einer großen Anzahl von Opfern führen und andererseits transportieren Wirbel Wärme und Impuls in der Atmosphäre und sind daher für eine bewohnbare Umwelt auf der Erde wichtig. Im astrophysikalischen Kontext können Akkretionsscheiben (aus denen Sonnensysteme gebildet werden) als geschichtete Wirbel angesehen werden. Der Impulstransport in einer solchen Scheibe ist bei der Bildung von Planeten noch nicht vollständig verstanden. Planeten oder Sterne können in einer Scheibe gebildet werden, wenn der Drehimpuls vom Scheibenzentrum weggetragen wird, um eine Materieansammlung durch Schwerkraft zu ermöglichen, da sonst die Rotationsgeschwindigkeit der Scheibe viel zu groß für eine Aggregation von Materie wäre. In solchen Gassystemen ist Turbulenz der wahrscheinlichste Mechanismus für den notwendigen Drehimpulstransport. Es wird jedoch gezeigt, dass das Strömungsprofil von Akkretionsscheiben stabil ist und es stellt sich somit die Frage, wie die Turbulenz erzeugt werden kann. In den letzten Jahren hat die Strato-Rotationsinstabilität (SRI) viel Aufmerksamkeit erregt, da diese ein rein hydrodynamische Instabilität ist. Sie kann mit einem klassisches Taylor-Couette (TC) -System, welches jedoch eine axiale Dichteschichtung aufweist, relativ einfach experimentell und numerisch modelliert werden. In dieser Arbeit wird eine kombinierte experimentelle und numerische Studie zum Verständnis von strömungmechanischen Phänomenen im Bereich der Strato-Rotations-Instabilität durchgeführt. Im Allgemeinen bewirkt eine Dichteschichtung eine Änderung des Übergangs zur Instabilität im Vergleich zum klassischen, nicht geschichteten TC-System. Ohne Schichtung wäre die Strömung in nun instabilen Bereichen stabil. Diese Eigenschaft kann mit der SRI untersucht werden, um Phänomene in planetarischen und astrophysikalischen Anwendungen zu erforschen, insbesondere mit dem Fokus auf die Akkretionsscheibentheorie. Trotz vieler Fortschritte beim Verständnis der Impulsflüsse in Strato-Rotations-Systemen bleibt die Gegenüberstellung experimenteller Daten mit nichtlinearen numerischen Simulationen relevant, da sie beides, lineare Aspekte und nichtlineare Wechselwirkungen von SRI-Moden beinhaltet, die noch besser verstanden werden müssen. Diese Vergleiche zeigen neue nichtlineare Phänomene und Muster, die bei der SRI bislang noch nicht beobachtet wurden und können zu unserem Verständnis von geophysikalischen Strömungen beitragen. KW - Rotating flow KW - Stratified flow KW - Pattern formation KW - Particle image velocimetry KW - High performance computing KW - Rotierende Strömungen KW - Geschichtete Strömungen KW - Musterbildung KW - Particle image velocimetry KW - Direkte numerische Simulation KW - Rotationsströmung KW - Turbulente Strömung KW - Schichtenströmung KW - Direkte numerische Simulation KW - Particle-Image-Velocimetry KW - Musterbildung Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-54408 ER -