TY - THES A1 - Schön, Franz-Theo T1 - Transport and waves in parametrically excited fluid layers T1 - Transport und Wellen in parametrisch angeregten Fluidschichten N2 - The transport and waves in parametrically excited fluid layers play a significant role in an understanding of non-linear surface wave phenomena and tidal resonances. In this thesis, we study resonant waves occurring in a circular channel with various obstacles under external oscillatory excitation. Typically, such sloshing experiments are conducted in rectangular, straight channels. The external excitation is implemented using a rotating table on which the entire experiment, including measurement equipment, is mounted. The excitation is either sinusoidal or ratched motion. The obstacles include a fully blocking barrier and a symmetric or asymmetric hill. The channel circumference is 4.76 m, with water depths ranging from 2 cm to 6 cm. Wave displacements within the channel are measured using 17 ultrasonic sensors equidistantly distributed along half of the channel. Particle Image Velocimetry (PIV) is employed to measure the flow. We also consider a simplified numerical model capable of reproducing the experimental results. This model is based on a long-wave approximation and vertical integration using a profile function (Kármán-Pohlhausen approach). Additionally, we use a wave attractor model to quantitatively explain the development of resonances. These resonances are distributed in bands of the excitation frequency around the linear eigenfrequency. The experimental wave attractor and numerical results are consistent with each other. The waves observed within these resonant frequency bands appear as undular bores or solitary waves. In the fully blocking case, bands of constructive and destructive interference are observed, while in the presence of hills, all eigenfrequencies exhibit resonances of varying intensity. These non-linear wave phenomena are characterized by strong transport properties, which can be studied here due to the fact that the circular channel is not fully blocked. The ratched excitation generated asymmetric wave fields, which also induced asymmetric transport in the channel, leading to the emergence of a mean flow in the channel. A similar mean channel flow is observed for the asymmetric hill; however, wave-induced transport played a lesser role in this case. This is attributed to a large separation vortex on the steep side of the hill, which created a valve effect that rectified part of the oscillatory flow. These results are of interest not only for engineering applications but also for the understanding of tidal flows over seabed topography. N2 - Der Transport und die Wellen in parametrisch angeregten Flüssigkeitsschichten spielt eine große Rolle im Verständnis von nichtlinearen Oberflächenwellenphänomenen und Gezeitenresonanzen. In dieser Arbeit werden resonante Wellen untersucht, die in einem kreisförmigen Kanal mit verschiedenen Hindernissen auftreten, wenn dieser einer externen oszillatorischen Anregung ausgesetzt wird. Normalerweise werden solche Schwapp-Experimente in rechteckigen, geraden Kanälen durchgeführt. Die externe Anregung wird durch einen Rotationstisch realisiert, auf dem sich das gesamte Experiment inklusive Messtechnik befindet. Die Anregung erfolgt entweder sinusoidal oder sägezahnförmig. Die Hindernisse sind eine völlig verschließende Barriere sowie ein symmetrischer oder asymmetrischer Berg. Der mittlere Kanalumfang hat eine Gesamtlänge von 4,76 m, während Wasserhöhen von 2 cm bis 6 cm untersucht werden. Als Messmethode für die Auslenkung der im Kanal befindlichen Wellen werden 17 Ultraschallsensoren verwendet, welche äquidistant über die Hälfte des Kanals verteilt sind. Zur Messung der Strömung wird Particle Image Velocimetry verwendet. Wir betrachten in dieser Arbeit ebenfalls ein vereinfachtes numerisches Modell, das in der Lage ist, die experimentellen Ergebnisse zu reproduzieren. Dieses Modell basiert auf einer Langwellennäherung und der vertikalen Integration über eine Profilfunktion (Kármán-Pohlhausen-Ansatz). Ein Wellenattraktor-Modell beschreibt die Entwicklung von Resonanzen qualitativ, die in Bändern der Anregungsfrequenz um die lineare Eigenfrequenz herum angeordnet sind. Die experimentellen Wellenattraktor- und numerischen Ergebnisse sind konsistent miteinander. Die Wellen, die innerhalb dieser resonanten Frequenzbänder beobachtet werden, treten als gewellter Schwall (undular bore) oder Einzelwelle (solitary wave) auf. Im vollständig blockierenden Fall werden Bänder konstruktiver und destruktiver Interferenz beobachtet, während im Fall der Berge alle Eigenfrequenzen Resonanzen unterschiedlicher Stärke aufweisen. Diese nichtlinearen Wellenphänomene zeichnen sich durch starke Transporteigenschaften aus, die wir hier aufgrund der Kreisförmigkeit des nicht komplett verschlossenen Kanals studieren können. Die sägezahnförmige Anregung erzeugt asymmetrische Wellenfelder, die ebenfalls einen asymmetrischen Transport im Kanal bewirkt, der zum Erscheinen einer Kanalmittelströmung führt. Eine ähnliche Kanalmittelströmung wird für den asymmetrischen Berg beobachtet, allerdings spielt der Transport durch Wellen hier eine untergeordnete Rolle. Dies liegt daran, dass eine große Ablöseblase an der steilen Bergseite einen Ventileffekt erzeugte, die einen Teil der oszillierenden Strömung gleichrichtete. Diese Ergebnisse sind nicht nur für ingenieurtechnische Anwendungen von Interesse, sondern auch für das Verständnis von Gezeitenströmen über Bodenformen. KW - Asymmetries KW - Asymmetrien KW - Bores KW - Sloshing KW - Transport KW - Waves KW - Bore KW - Schwappen KW - Transport KW - Wellen KW - Transport KW - Welle KW - Oberflächenwelle KW - Schwappende Flüssigkeit KW - Particle-Image-Velocimetry KW - Numerisches Modell Y1 - 2025 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-69959 ER - 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 -