TY - THES A1 - König, Franziska T1 - Investigation of high Reynolds number pipe flow - CoLaPipe experiments T1 - Untersuchung der Rohrströmung bei hohen Reynoldszahlen - CoLaPipe Experimente N2 - Investigations of high Reynolds number pipe flow is up to now a great challenge due to the complex mechanisms which appear in pipe flow turbulence. Hence, suitable experimental facilities are necessary to resolve turbulent dynamics and therewith to provide the knowledge for the understanding of such a simple shear flow. For this reason the recent thesis deals with conceptual design and setup of a new high Reynolds number pipe test facility further on named CoLaPipe - Cottbus Large Pipe. It also comprises first investigations on pipe flow obtained from the new CoLaPipe, which can be classified into 1.)calibration measurements to put the facility into service and 2.)continuative measurements to provide experimental results helping to understand pipe flow. The first results within the CoLaPipe show that this new experimental facility is suitable to investigate turbulence at high Reynolds numbers, where this conclusion can be drawn from intensive investigations on the development length of the flow either for natural and artificial transition. From further experiments on the evaluation of the wall friction velocity using different estimation methods great difficulties and variations in the calculated values are obtained. These deviations are directly related to the scaling behavior of the mean and fluctuating velocity, which is also shown within this thesis and intensively discussed. Among the discussion of the setup of the new CoLaPipe and the first experimental results this thesis contains a broad literature review with the focus on high and very high Reynolds numbers. Nevertheless, pipe flow at low and moderate Reynolds numbers is described as well. N2 - Untersuchungen an Rohrströmungen bei hohen Reynoldszahlen sind bis heute eine große Herausforderung aufgrund der komplexen Mechanismen die innerhalb turbulenter Rohrströmung auftreten. Daher ist es notwendig geeignete Experimente zu etablieren, um turbulente dynamische Prozesse aufzulösen und somit das Wissen zur Verfügung zu stellen diese vollständig zu verstehen. Aufgrund dessen beschäftigt sich die vorliegende Dissertation mit der Konzeptionierung und dem Aufbau eines neuen Rohrwindkanals mit dem Fokus auf hohen Reynoldszahlen. Diese neue Anlage wird als CoLaPipe bezeichnet, was sich von Cottbus Large Pipe ableitet. Außerdem umfasst diese Arbeit erste experimentelle Untersuchungen und Ergebnisse, die sich unterteilen lassen in 1.) Kalibrationsmessungen zur Inbetriebnahme sowie 2.) weiterführende Messungen. Die ersten Ergebnisse der CoLaPipe zeigen, dass die neu konzipierte und aufgebaute Anlage geeignet ist um Untersuchungen zur Turbulenz bei großen Reynoldszahlen durchzuführen. Diese Aussage kann anhand intensiver Studien zum Verhalten der Einlauflänge in Rohrströmungen bei verschiedenen Randbedingungen, hier natürliche und erzwungene Transition, bestätigt werden. Weiterführende Experimente zur Bestimmung der Wandschubspannung unter Einbeziehung verschiedener Methoden haben gezeigt, dass an dieser Stelle große Schwierigkeiten und damit Abweichungen der Ergebnisse auftreten. Das wiederum spiegelt sich direkt im Skalierungsverhalten der Hauptströmungs- und Schwankungsgeschwindigkeit wieder, was detailiert in dieser Arbeit diskutiert wird. Neben der Einführung der neuen CoLaPipe und der Diskussion der ersten Ergebnisse beinhaltet diese Dissertation eine umfassende Literaturrecherche mit dem Fokus auf hohen und sehr hohen Reynoldszahlen. Doch zum Verständnis von Rohrströmungen sind die Mechanismen und Dynamiken der kleinen und mittleren Reynoldszahlen ebenso wichtig und finden daher zusätzlich große Beachtung. KW - Turbulence KW - Pipe flow KW - High Reynolds number KW - Wind tunnel KW - Fluid dynamics KW - Turbulenz KW - Rohrströmung KW - Hohe Reynoldszahlen KW - Windkanal KW - Strömungsmechanik KW - Windkanal KW - Rohrströmung KW - Turbulente Strömung KW - Reynolds-Zahl Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-35392 ER - TY - THES A1 - Sharma, Sparsh T1 - Stochastic modelling of leading-edge noise in time-domain using vortex particles T1 - Stochastische Modellierung des Tragflügelvorderkantenschalls in zeitlicher Auflösung mit der Vortex-Partikel-Technik N2 - The conceptual designing of rotating machines such as fans, wind turbines, contra-rotating open rotors and helicopter blades require low-cost, easy-to-run tools which allow quick noise assessments and optimization analyses underlying this phenomenon. The state-of-the-art numerical and experimental methods are far more expensive to conduct an optimisation study, whereas inexpensive methods like the analytical ones can have significant errors in realistic geometries at high-frequency ranges, higher angles of attack. The response to large coherent disturbances and the statistical modeling of turbulence is required because turbulence, by far its nature, is stochastic. Determining the accurate unsteady response of airfoil is crucial for noise prediction. The primary goal of the project is to develop a new low-cost and easy-to-use numerical technique for aero-acoustic designs, focused primarily on airfoil-turbulence interaction. The development of the statistical method is divided into three sections; namely - 1) calculating the background flow, 2) modeling of statistically optimized inflow disturbance, 3) constructing a vortex database to predict the noise in multiple flow fields characterized by different values of turbulent intensities and length scales. In the framework of this work a new approach to model inflow turbulence, a significant noise-generating element, is suggested, which does not depend on heavy computations requiring supercomputers. Through this approach, the influence of turbulence parameters on the noise generated in turbomachinery can be quantified. The approach also considers the geometrical parameters of the airfoil in the noise prediction. The background flow is numerically simulated via solving the vorticity transport equations in the Lagrangian form (vortex methods). The acoustic influence of a finite number of vortices, characterized by all the possible combinations of size, circulation and injection position/time defined using the ranges of probability distribution functions, released from injection points upstream of the airfoil are precomputed and stored in a matrix. The method is computationally inexpensive compared to classical vortex methods since the effect due to particles are precomputed, stored in a/an matrix/array. The matrix can be called as a library while predicting the noise from a specific airfoil. N2 - Die konzeptionelle und vorläufige Auslegung rotierender Maschinen wie Lüfter, Windturbinen, gegenläufiger offener Rotoren und Hubschrauberblätter erfordert kostengünstige und einfach zu bedienende Werkzeuge, die eine schnelle Geräuschbeurteilung und Optimierungsanalyse ermöglichen. Die neuesten numerischen und experimentellen Methoden sind für die Durchführung einer Optimierungsstudie zu rechenaufwändig, wohingegen kostengünstige Methoden, wie zum Beispiel analytische, bei realistischen Profilgeometrien vor allem im Bereich hoher Frequenzen sowie bei höheren Anstellwinkeln erhebliche Fehler aufweisen können. Da Turbulenz grundsätzlich eine statistische Größe ist, erscheint es sinnvoll, eine turbulente Strömung sowie auch die Interaktion eines Tragflügel- oder Schaufelprofils mit einer solchen Strömung statistisch zu modellieren. Die Bestimmung der instationären Reaktion des Strömungsprofils ist anschließend für die Vorhersage des entstehenden aerodynamischen Schalls von entscheidender Bedeutung. Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer neuen kostengünstigen und benutzerfreundlichen numerischen Technik für aeroakustische Konstruktionen, die sich hauptsächlich auf die Wechselwirkung zwischen Tragflügelprofilen und Turbulenzen konzentriert. Die Entwicklung der statistischen Methode gliedert sich in drei Abschnitte; nämlich - 1) der Berechnung der Hintergrundströmung, 2) der Modellierung der statistisch optimierten turbulenten Zuströmung, und 3) der Generierung einer Wirbeldatenbank zur Vorhersage des entstehenden Schalls für mehrere Strömungsfelder, die durch unterschiedliche Werte von Turbulenzintensitäten und Längenskalen gekennzeichnet sind. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein neuer Ansatz zur Modellierung einer turbulenten Zuströmung – und damit einer für die Lärmerzeugung wesentlichen Größe - vorgestellt, der eine vergleichsweise schnelle Berechnung erlaubt und nicht auf die Nutzung von Hochleistungscomputern angewiesen ist. Durch diesen Ansatz kann der Einfluss von Turbulenzparametern auf das in Turbomaschinen erzeugte Geräusch quantifiziert werden, wobei auch die geometrischen Parameter des Schaufelblatts bei der Geräuschvorhersage berücksichtigt werden. Die Hintergrundströmung wird bei dieser Methode numerisch simuliert, indem die Wirbeltransportgleichungen in der Lagrange-Form gelöst werden (sogenannte Vortex-Methoden). Der akustische Einfluss einer endlichen Anzahl von Wirbeln, charakterisiert durch alle möglichen Kombinationen von Wirbelgröße, Zirkulation und Injektionsposition / -zeit, definiert unter Verwendung der Bereiche von Wahrscheinlichkeitsverteilungsfunktionen, die von Injektionspunkten stromaufwärts des Schaufelblatts abgegeben werden, werden vorberechnet und in einer Matrix gespeichert. Diese Methode ist daher im Vergleich zu klassischen Vortex-Methoden vergleichsweise rechengünstig, da die Auswirkungen von Partikeln vorausberechnet, in einer Matrix gespeichert und schließlich zur Berechnung der Schallentstehung nur noch ausgelesen werden. KW - Leading-edge noise KW - Aeroacoustics KW - Ffowcs-Williams Hawkings KW - Broadband noise KW - Airfoil-turbulence interaction KW - Tragflügelvorderkantenschalls KW - Breitbandgeräusch KW - Tragflächengeräusch KW - Aeroakustik KW - Zeitbereich KW - Tragflügel KW - Vorderkante KW - Tragflügelumströmung KW - Strömungsakustik Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-50858 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 - Xu, Wenchao T1 - Experiments on nonlinear waves in homogeneous flows with free upper surface and time-dependent forcing T1 - Experimente zu nichtlinearen Wellen in homogenen Strömungen mit freier Oberfläche und zeitabhängigem Antrieb N2 - The linear-theory assumption is a fundamental approach for the study of waves in fluids. The governing equations are linearized by assuming the perturbations are small so that the consequences of nonlinear terms are negligible. Nevertheless, if a wave approaches a critical level, in which the wave amplitude grows so as to create an instability of the background flow, the assumption of linearity may not hold any longer. In this case, the nonlinear terms are required to be taken into consideration. In this thesis, two experimental setups have been proposed for the study of two scenarios, in which the nonlinear effects become significant and a traditional linear solution is no longer valid. The first experiment focuses on an inertially oscillating rotating fluid. In the thesis, we present experimental results from a system that is simpler than classical precession experiments but still shows very similar wave interactions and a collapse to turbulence. This system consists of a partly filled rotating annulus that rotates about its symmetry axis slightly tilted with respect to the gravity vector. In the experiments, we find a resonant collapse when the forcing frequency corresponds with a resonant frequency of the rotating tank. Two types of instability can be triggered: a parametric triadic instability, in which two free Kelvin modes arise and form a triad with the forced Kelvin mode, and a shear-type instability related to the nonlinearly excited geostrophic flow. The latter instability gives rise to a barotropic mode that interacts with the forced mode and generates secondary modes. We also observed dependency of the mode frequencies on the Ekman number, which can, at least partly, be explained by a Doppler shift due to the mean flow. Finally, we try to connect our data to a low-order dynamical system based on the weakly nonlinear theory that describes the main features of single triad interaction in precession experiments. The second experiment concerns the study of undular bores (or tidal bores), in which the nonlinearity plays an important role. An experiment has been performed in which undular bores are produced in an open circular channel. More specifically, two different cases have been investigated: a single bore case with a rigid boundary setup and a bore colliding case with a periodic lateral boundary setup. Bores are generated by abruptly releasing a barrier that separates fluids with different surface levels. Up to our knowledge, this is the first experimental study of undular bores in a circular channel. For a setup without barriers, this geometry accomplishes in a natural way the periodic lateral boundary conditions, which is very often used in numerical simulations. The experimental results have been compared with the nonlinear numeric simulations and achieved an excellent agreement. N2 - Die Annahme der linearen Theorie ist ein grundlegender Ansatz für die Untersuchung von Wellen in Flüssigkeiten. Die herrschenden Gleichungen werden linearisiert, so dass die Auswirkungen der nichtlinearen Terme bei kleinen Störungen vernachlässigbar sind. Wenn die Wellenamplitude einer Welle so zunimmt, dass eine Instabilität der Hintergrundströmung entsteht, kann die Annahme der Linearität nicht mehr zutreffen. In diesem Fall müssen die nichtlinearen Terme berücksichtigt werden. In dieser Arbeit wurden zwei experimentelle Einrichtungen für die Untersuchung von zwei Szenarien betrachtet, in denen die nichtlinearen Effekte erheblich werden und eine traditionelle lineare Lösung nicht mehr gültig ist. Das erste Experiment konzentriert sich auf ein trägheitsschwingendes rotierendes Fluid. In der Dissertation stellen wir experimentelle Ergebnisse aus einem System vor, das einfacher ist als klassische Präzessionsexperimente, aber dennoch sehr ähnliche Wellenwechselwirkungen und den Übergang zu Turbulenz zeigt. Dieses System besteht aus einem teilweise gefüllten rotierenden Ring, der sich um seine Symmetrieachse leicht geneigt gegenüber dem Gravitationsvektor dreht. In die Experimente finden wir einen Resonanzkollaps, wenn die erzwungene Frequenz mit einer Resonanzfrequenz des rotierenden Tanks übereinstimmt. Zwei Arten der Instabilität können ausgelöst werden: eine parametrische triadische Instabilität, bei der zwei freie Kelvinmoden mit der erzwungenen Kelvin-Mode eine Triade bilden, und eine Scherungsinstabilität, die mit dem nichtlinear angeregten geostrophischen Fluss zusammenhängt. Die letztere Instabilität führt zu einer barotropen Schwingungsmode, die mit der direkt angetriebenen Schwingungsmode interagiert und dadurch sekundäre Moden erzeugt. Wir beobachteten auch eine Abhängigkeit der Modenfrequenzen von der Ekman-Zahl, die zumindest teilweise durch eine Dopplerverschiebung aufgrund der mittleren Strömung erklärt werden kann. Schließlich versuchen wir, unsere Daten mit einem schwach nichtlinearen dynamischen System nachzubilden, das die Hauptcharakteristiken der Wechselwirkung einzelner Triaden in Präzessionsexperimenten beschreibt. Das zweite Experiment betrifft die Untersuchung von Gezeitenwellen. Bei dem Experiment werden die Gezeitenwellen in einem offenen kreisförmigen Kanal erzeugt. Insbesondere wurden zwei verschiedene Fälle untersucht: ein Einzelsoliton mit einer festen Randbedingung und ein Doppelsoliton mit Kollisionen und periodischen Randbedingungen. Gezeitenwellen werden durch abruptes Herausziehen einer Barriere erzeugt, welche die Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Oberflächenniveaus voneinander trennt. Für einen Aufbau ohne Barrieren erfüllt diese Geometrie auf natürliche Weise die periodischen Randbedingungen, was sehr oft in numerischen Simulationen verwendet wird. Die experimentellen Ergebnisse wurden mit den nichtlinearen numerischen Simulationen verglichen und erzielten eine ausgezeichnete Übereinstimmung. KW - Nonlinear waves KW - Flow instability KW - Rotating geophysical flows KW - Inertial waves KW - Weak turbulence KW - Tidal bore KW - Nichtlinearität KW - Rotierende Strömung KW - Instabilität KW - Trägheitswellen KW - Gezeitenwellen KW - Flutwelle KW - Trägheitswelle KW - Instabile Strömung KW - Rotationsströmung Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-53860 ER - TY - THES A1 - Hamede, Mohammed Hussein Haytham T1 - The turbulent very wide-gap Taylor-Couette flow : experimental investigation T1 - Die turbulente Taylor-Couette-Strömung mit sehr weitem Spalt : experimentelle Untersuchung N2 - Die Taylor-Couette-Strömung (TC), die Strömung zwischen zwei konzentrischen, unabhängig voneinander rotierenden Zylindern, wird als perfektes Modell zur Untersuchung von Scherströmungen über konkaven Oberflächen verwendet und ist eines der paradigmatischen Systeme der Fluidphysik. In dieser Arbeit wird eine experimentelle Untersuchung der turbulenten TC-Strömung in einer sehr breiten Spaltgeometrie mit einem Radiusverhältnis 𝜂 = 0,1 durchgeführt. Das physikalische und dynamische Verhalten der Strömung wird in einer Geometrie untersucht, die vor der vorliegenden Studie kaum untersucht wurde, was diese Studie einzigartig macht. Ziel der Studie ist es, die Auswirkungen der Krümmung auf die TC-Strömung zu verstehen, insbesondere in Fällen, in denen die Umfangslänge des inneren Zylinders kleiner ist als die Spaltbreite. Die Strömung wird in den verschiedenen Rotationsregimen untersucht: gegenläufige, mitläufige und reine Innenzylinder-Rotationsregime bis zu Scher-Reynoldszahlen Re_s≤ 150000. Das Strömungsfeld wurde mit Hilfe von Visualisierungstechniken qualitativ untersucht. Bei der Untersuchung der verschiedenen Strömungsparameter zeigen sich bekannte kohärente TC-Strömungsmuster sowie neu beobachtete Muster, von denen wir annehmen, dass sie nur bei TC-Strömungen mit sehr großem Spalt existieren. Für eine detailliertere quantitative Untersuchung wurde eine zeitaufgelöste Messung des Geschwindigkeitsfeldes mit der Hochgeschwindigkeits-Partikel-Image-Velocimetry-Technik durch die Endplatte des Systems durchgeführt. Die radialen und azimutalen Geschwindigkeitskomponenten in der horizontalen 2D-Ebene werden an verschiedenen axialen Positionen gemessen, um die axiale Varianz der Strömung zu erfassen. Das aufgezeichnete Strömungsfeld wird verwendet, um den Drehimpulstransport in Form der Quasi-Nusselt-Zahl (Nu_ω) zu berechnen. Die Ergebnisse zeigen ein Maximum der Nu_ω für niedrige gegenläufige Raten von -0,011 ≤ μ_max ≤ -0,0077, was mit großräumigen Strukturen verbunden ist, die den gesamten Spalt überspannen. Darüber hinaus nimmt Nu_ω für Gegenrotationsraten, die höher als μ_max sind, ab, bis es einen Minimalwert erreicht, und steigt dann für höhere Gegenrotationsfälle tendenziell wieder an. Das Raum-Zeit-Verhalten des turbulenten Strömungsfeldes für die Fälle mit hoher Gegenrotation zeigt die Existenz neu beobachteter Muster neben der äußeren Zylinderwand, die sich nach innen ausbreiten, den Drehimpulstransport verstärken und zu einem zweiten Maximum im Transport für höhere Gegenrotationsraten führen. Das Raum-Zeit-Verhalten des turbulenten Strömungsfeldes für die Fälle mit hoher Gegenrotation zeigt die Existenz von neu beobachteten Mustern neben der äußeren Zylinderwand, die sich nach innen ausbreiten, den Drehimpulstransport verstärken und zu einem zweiten Maximum des Transports für höhere Gegenrotationsraten führen. Für den rein rotierenden inneren Zylinder skaliert der Impulstransport. N2 - The Taylor-Couette (TC) flow, the flow confined between two concentric independently rotating cylinders, is used as a perfect model to investigate shear flow over concave surfaces and one of the paradigmatic systems of the physics of fluids. In this thesis, an experimental investigation of the turbulent TC flow in a very wide gap geometry with a radius ratio 𝜂 = 0.1 is performed. The physical and dynamic behavior of the flow is studied in a geometry that has rarely been investigated before the current study, which makes this study unique. The study aims to understand the effect of curvature on the TC flow, particularly in cases where the circumferential length of the inner cylinder is smaller than the gap width. The flow is studied in the different rotation regimes: counter-rotating, co-rotating, and purely inner cylinder rotating regimes up to shear Reynolds numbers Re_s≤ 150000. The flow field has been qualitatively studied using visualization techniques. By probing the different flow parameters, familiar coherent TC flow patterns appear, in addition to newly observed patterns we assume only exist for very wide gap TC flows. For a more detailed quantitative study, a time-resolved velocity field measurement has been conducted using the High-speed Particle Image Velocimetry technique through the system end plate. The radial and azimuthal velocity components in the 2D horizontal plane are measured at different axial positions, in order to scan the axial variance of the flow. The recorded flow field is used to compute the angular momentum transport in terms of the quasi-Nusselt number (Nu_ω). The results show a maximum of Nu_ω for low counter-rotating rates of −0.011 ≤ μ_max ≤ −0.0077, which is associated with large-scale structures that span the entire gap. Moreover, the Nu_ω decreases for counter-rotation rates higher than μ_max until it reaches a minimum value and then tends to increase again for higher counter-rotation cases. The space-time behavior of the turbulent flow field for the high counter-rotating cases shows the existence of newly observed patterns next to the outer cylinder wall that propagates inward, enhancing the angular momentum transport and resulting in a second maximum in transport for higher counter-rotating rates. For the pure rotating inner cylinder, the momentum transport scaling with the shear rate Nu_ω ∼ Re_s^α has been studied, and it shows a transition in scaling to 𝛼 = −0.76 for all flows with Re_(s )≥ 25000. This new scaling reveals the transition of the flow from the classical turbulent regime to the ultimate one, where this transition is accompanied by a clear change in the flow behavior. Moreover, the flow in the co-rotating regime and particularly in the centrifugal stable regime (𝜇 > +0.01) is investigated. The Velocity measurements show the presence of disturbed flow near the inner cylinder, where the measured velocity profiles showed a clear deviation from those predicted by laminar flow for flows up to 𝜇 = +0.04. KW - Experimental fluid mechanics KW - Taylor-Couette flow KW - Rotating flow KW - Turbulence KW - Particle image velocimetry KW - Experimentelle Strömungsmechanik KW - Taylor-Couette-Strömung KW - Rotationsströmung KW - Turbulenz KW - Turbulente Strömung KW - Strömungsmechanik KW - Rotationsströmung KW - Taylor-Couette-Strömung Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-64456 ER - TY - THES A1 - Motuz, Vasyl T1 - Gleichmäßiges Mikro-Ausblasen zur Beeinflussung einer turbulenten Grenzschicht T1 - Uniform microblowing to control a turbulent boundary layer N2 - Das gleichmäßige Ausblasen ist eine effektive Methode zur Beeinflussung einer turbulenten Grenzschicht, nämlich zur Reduzierung des Reibungswiderstands einer umströmten Wandoberfläche. In der vorliegenden Arbeit wurde turbulente Grenzschicht an einer ebenen Platte hinsichtlich ihrer Beeinflussbarkeit mittels gleichmäßigem kontinuierlichen Mikro-Ausblasen in einer Strömung ohne Druckgradient untersucht. Die durchgeführte Untersuchung umfasst das Strömungsverhalten in einer viskosen Unterschicht über einer durchlässigen Wand ohne und mit Ausblasen, der Einfluss der Ausblasrate und der Temperatur der ausgeblasenen Luft auf die Grenzschichtparameter sowie eine Visualisierung und qualitative Analyse des Temperaturfeldes der Oberfläche der durchlässigen Wand ohne und mit Ausblasen unter verschiedenen Bedingungen. Die Untersuchung wurde in einem geschlossenen Unterschall Windkanal für einen Reynoldszahlen-Bereich von 1x10³ < Reₓ < 1x10⁶ und für eine Ausblasrate von 0 < F < 0.0173 durchgeführt. Die Ermittlung der Profile der Strömungsgeschwindigkeit im wandnahen Bereich sowie des Einflusses der Ausblasrate und der Temperatur der ausblasenden Luft auf die Parameter der Grenzschicht wurde mit Hilfe des noninvasiven Laser Doppler- und bei einzelnen Experimenten mit Hilfe des hochauflösenden Konstant Temperatur Anemometrie-Verfahrens durchgeführt. Zur Untersuchung des Temperaturfeldes sowie dessen Änderung wurde ein Thermografiesystem auf Basis einer Infrarot-Kamera eingesetzt. Die ermittelten Profile der Strömungsgeschwindigkeit u(x,z) und besonders v(x,z) haben gezeigt, dass das Ausblasen durch eine durchlässige Wand, die gleichmäßig verteilte Mikro-Öffnungen enthält, als ein „Ensemble“ einzelner Freistrahlen zu betrachten ist. Im Fall einer Unterschallströmung darf diese Art des Ausblasens nur grob als ein gleichmäßiges Ausblasen angenommen werden. Mit Hilfe des gleichmäßigen Ausblasen wurde der Reibungsbeiwert im Bereich Reynoldszahlen Reₓ < 1x10⁶ im Vergleich zur festen Wand um bis zu 59 % reduziert. Dabei wurde festgestellt, dass der Reibungsbeiwert bzw. die Wandschubspannung einer durchlässigen Wand mit Ausblasen von der Ausblasrate abhängt und deren Reduzierung nur bis zu einem bestimmten Wert der Ausblasrate stattfindet. Durch das Ausblasen der Luft verschiedener Temperatur wurde es gezeigt, dass auf die Eigenschaften der turbulenten Grenzschicht über einer durchlässigen Wand neben dem Ausblasen selbst, die Temperatur des ausblasenden Mediums auch eine wichtige Rolle spielt. Je nach dem, welche Temperatur das ausblasende Fluid besitzt, wird der Reibungsbeiwert reduziert oder erhöht. Mittels einer Visualisierung des Temperaturfeldes der Oberfläche der durchlässigen Wand mit Ausblasen wurde eine indirekte Visualisierung der Wirkung der äußeren Strömung auf die umströmte Wand realisiert. Da sich eine äußere Strömung in Wandnähe eine Grenzschicht bildet, kann diese Visualisierung als eine Visualisierung der Wirkung des Ausblasens auf die Grenzschicht betrachtet werden. Der Vergleich des Temperaturfelds der Oberfläche der durchlässigen Wand ohne Ausblasen in einer äußeren Strömung mit derjenigen mit Ausblasen hat gezeigt, dass die Wirkung der äußeren Strömung auf die umströmte Wand durch das Ausblasen nicht direkt am Anfang des Ausblasbereichs, sondern in einem Abstand davon voll verhindert wird. Infolge Wechselwirkung zwischen äußerer Strömung und dem Ausblasen, bildet sich über dem Ausblasbereich eine Zwischenschicht bzw. eine Dämpferschicht, die einen Energieaustausch zwischen der äußeren Strömung und der Oberfläche durchlässiger Wand blockiert. Diese Zwischenschicht bildet sich nicht sofort am Anfang des Ausblasbereichs, sondern über einer Strecke, deren Länge von der Ausblasrate abhängt. N2 - Uniform blowing is an effective methodology affecting turbulent boundary layer flows for the sake of reducing the wall skin friction. The present dissertation explores the turbulent boundary layer along a flat plate in regard to its controllability by means of a uniform and continuous microblowing in a flow under zero pressure gradient. The investigation encloses the flow behaviour in a viscous sublayer above a permeable wall without and with blowing. The influence of the blowing rate and the temperature of the blowing air on the parameters of the boundary layer were investigated. Flow visualisation and qualitative analysis of the temperature field of the permeable wall surface without and with blowing under various flow conditions were carried out as well. The investigation was carried out in a closed-return subsonic wind tunnel for a Reynolds number range of 1x10³ < Reₓ < 1x10⁶ and for a blowing ratio of 0 < F < 0.0173, where Reₓ is based on the free stream velocity, the streamwise distance (x) and fluid kinematic viscosity (v). The effects of flow velocity distribution in the wall proximity as well as the blowing rate and the temperature of the blowing air on the parameters of the boundary layer were carried out utilizing the non-invasive Laser Doppler Anemometer (LDA) and a high-resolution Constant Temperature Hot-Wire Anemometer (CTA). In order to examine the temperature field as well as its variation, a thermographic system was used on the basis of an infrared camera. The measured profiles of the flow velocity; u(x,z) and particularly v(x,z) showed that the blowing trough a permeable wall, the uniformly distributed micro-holes can be described as an "ensemble" of single free flow beam. For subsonic flow, this kind of blowing description may be accepted roughly as a uniform blowing. Uniform blowing reduces the wall skin friction up to 59 % in comparison to the solid wall for Reₓ < 1x10⁶. It was found that the skin friction or the wall shear stress of a permeable wall with blowing depends on the blowing rate and the wall skin reduction takes place only for a certain working range of the blowing ratio. Through blowing air having different temperatures it was shown that the temperature of the blowing medium plays an important role on properties of the turbulent boundary layer along a permeable wall surface. Depending on the temperature of the blowing fluid, the skin friction coefficient is either to be reduced or increased. By visualizing the temperature field of the permeable wall surface with blowing its effect on the external flow along the wall was indirectly achieved. This visualisation can be considered as a visualisation mean for the blowing effect on the boundary layer flow in wall proximity. The comparison of the temperature field of the permeable wall surface without blowing in an external flow versus with blowing has shown that the effect of the external flow on the wall was not observable at the blowing area, however after certain downstream distance from blowing. As a result of the interaction between the external flow and the blowing, an overlap layer was being formed which blocks the energy exchange between the external flow and the surface of the permeable wall. This overlap layer arises not immediately at the beginning of the blowing area, but rather at a distance that depends on the blowing ratio. KW - Reduzierung des Reibungsbeiwerts KW - Viskose Unterschicht KW - Mikro-Ausblasen KW - Skin friction reduction KW - Viscous sub layer KW - Microblowing KW - Turbulent boundary layer KW - Turbulente Grenzschicht KW - Turbulente Grenzschicht KW - Ausblasen KW - Reibungskoeffizient Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-31242 ER - TY - THES A1 - Pizzi, Federico T1 - Numerical studies of a fluid-filled precessing cylinder : a framework for the DRESDYN precession experiment T1 - Numerische Untersuchungen eines flüssigkeitsgefüllten präzedierenden Zylinders : ein Rahmen für das DRESDYN-Präzessions-Experiment N2 - Precession driven flows are believed to play a relevant role in planetary dynamics, such as in atmospheric phenomena, and as a complementary energy source for homogeneous dynamo action, i.e. the self-generation of planetary magnetic fields. Precessional motion occurs when a body rotates around an axis, which itself is rotating around another axis. The main influence of this forcing mechanism is a gyroscopic effect on the fluid flow which gives rise to a wavy dynamics even in the laminar regime. If the forcing magnitude is strong enough the flow goes through a series of phenomena such as instabilities, resonant interactions between waves, and transition to turbulence whose occurrence depends on the container shape and the angle between the two axis. Although many phenomena have a satisfactory explanation, others still remain elusive and merit further investigations. The interest in moderate to large forcing is particularly motivated by the need of theoretical supports for the upcoming DRESDYN (DREsden Sodium facility for DYNnamo and thermohydraulic studies) precession experiment, whose main purpose is to test the capability of a precessing fluid system to achieve a dynamo effect. Here, the possibility to generate a magnetic field is connected to the emergence of three large scale structures in the bulk flow: a directly forced standing wave, poloidal vortices, and a geostrophic axisymmetric flow. In this thesis we use numerical simulations to study and understand the flow behavior in a fluid-filled precessing cylinder. We use two types of approaches: a global study to investigate large scale phenomena and the resulting magnetohydrodynamics behavior, and a local model to analyze and unveil the properties of turbulence forced by precession. The bulk flow behavior present different responses with respect to the sense of motion: while prograde precession shows a steep transition to turbulence when increasing the forcing magnitude with a marked breakdown of the directly forced mode, retrograde precession presents a much smoother change. A related distinction has been found also for the dynamo action, which is more likely to occur for perpendicular and retrograde precession. The precession driven turbulence is a complex scenario determined by the coexistence of geostrophic vortices (called also condensates), a typical feature of rotating turbulence prone to an inverse cascade of energy, and small scale 3D waves characterized by a direct energy cascade. We observe the interaction of these two structures as being governed by a clear hierarchy. N2 - Es wird angenommen, dass präzessionsgetriebene Strömungen eine wichtige Rolle in der Planetendynamik spielen, z. B. bei atmosphärischen Phänomenen, und dass sie eine ergänzende Energiequelle für die homogene Dynamowirkung, d. h. die Selbsterzeugung planetarischer Magnetfelder, darstellen. Präzessionsbewegungen treten auf, wenn sich ein Körper um eine Achse dreht, die ihrerseits um eine andere Achse rotiert. Der Haupteinfluss dieses Antriebsmechanismus ist ein gyroskopischer Effekt auf die Fluidströmung, der selbst im laminaren Bereich eine wellenförmige Dynamik hervorruft. Wenn die Antriebsgröße stark genug ist, durchläuft die Strömung eine Reihe von Phänomenen wie Instabilitäten, resonante Wechselwirkungen zwischen Wellen und den Übergang zur Turbulenz, deren Auftreten von der Behälterform und dem Winkel zwischen den beiden Achsen abhängt. Obwohl es für viele Phänomene eine zufriedenstellende Erklärung gibt, sind andere noch immer schwer fassbar und bedürfen weiterer Untersuchungen. Das Interesse an mäßigen bis großen Kräften ist insbesondere durch den Bedarf an theoretischer Unterstützung für das bevorstehende DRESDYN (DREsden Sodium facility for DYNnamo and thermohydraulic studies) Präzessions-Experiment motiviert, dessen Hauptzweck darin besteht, die Fähigkeit eines präzessierenden Fluidsystems zur Erzielung eines Dynamoeffekts zu testen. Hier ist die Möglichkeit, ein Magnetfeld zu erzeugen, mit dem Auftreten von drei großräumigen Strukturen in der Massenströmung verbunden: eine direkt erzwungene stehende Welle, poloidale Wirbel und eine geostrophische achsensymmetrische Strömung. In dieser Arbeit verwenden wir numerische Simulationen, um das Strömungsverhalten in einem flüssigkeitsgefüllten präzessiven Zylinder zu untersuchen und zu verstehen. Wir verwenden zwei Arten von Ansätzen: eine globale Studie, um großräumige Phänomene und das daraus resultierende magnetohydrodynamische Verhalten zu untersuchen, und ein lokales Modell, um die Eigenschaften der durch Präzession erzwungenen Turbulenz zu analysieren und zu enthüllen. Das Verhalten der Massenströmung zeigt je nach Bewegungsrichtung unterschiedliche Reaktionen: Während die prograde Präzession einen steilen Übergang zur Turbulenz zeigt, wenn die Stärke des Antriebs erhöht wird, mit einem deutlichen Zusammenbruch des direkt erzwungenen Modus, zeigt die retrograde Präzession eine viel sanftere Veränderung. Eine ähnliche Unterscheidung wurde auch für die Dynamowirkung gefunden, die bei senkrechter und retrograder Präzession wahrscheinlicher ist. Die präzessionsgetriebene Turbulenz ist ein komplexes Szenario, das durch die Koexistenz von geostrophischen Wirbeln (auch Kondensate genannt), einem typischen Merkmal rotierender Turbulenz, die zu einer inversen Energiekaskade neigt, und kleinräumigen 3D-Wellen, die durch eine direkte Energiekaskade gekennzeichnet sind, bestimmt wird. Wir beobachten, dass die Interaktion dieser beiden Strukturen von einer klaren Hierarchie bestimmt wird. KW - Inertial waves KW - Precession-driven flows KW - Rotating turbulcence KW - Dynamo action KW - Präzessionsgetriebene Strömungen KW - Inertialwellen KW - Dynamo-Aktion KW - Rotierende Turbulenzen KW - Turbulente Strömung KW - Atmosphärische Turbulenz KW - Inertialsystem KW - Dynamotheorie KW - Gyroskop Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-64218 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 - TY - THES A1 - Neben, Matthias T1 - 3D-CFD der Gas-Partikel-Strömung in einer Laval-Düse zur Vorhersage mechanischer Erosion T1 - 3D-CFD-simulations of the gas-particle flow in a Laval nozzle to predict mechanical erosion N2 - Die vorliegende Doktorarbeit betrachtet den erosiven Verschleiß von Laval-Düsen für den pneumatischen Stofftransport. Dazu wurden 3D-CFD-Simulationen der Gas-Partikel-Strömung auf Basis des Softwarepaketes OpenFOAM durchgeführt und ein kompressibler 2-Wege-gekoppelter sowie 4-Wege-gekoppelter Strömungslöser entwickelt. Zusätzlich wurden die Partikelmethoden von OpenFOAM erheblich erweitert. So sind z.B. zusätzliche stochastische Methoden für die Partikel-Partikel und Partikel-Wand-Kollisionen (Sommerfeld & Huber, 1999) mit einer erweiterten translatorischen und rotatorischen Impulserhaltung implementiert worden. Die auf die disperse Phase wirkenden fluidmechanischen Kräfte sind die Widerstandskraft nach Henderson (1976), die Kraft durch Druck- und Spannungstensor sowie die Auftriebskraft. Der erosive Verschleiß wird wahlweise mit dem Tabakoff-Modell (Grant & Tabakoff, 1973) und dem Oka-Modell (Oka et al., 2005; Oka & Yoshida, 2005) berechnet. Diese Arbeit entstand in Zusammenarbeit mit dem HKW Cottbus, welches im Rauchgasreinigungssystem Laval-Düsen für den pneumatischen Abtransport von Asche verwendet. Aufgrund der hohen Gas- und Partikel-Geschwindigkeiten und der Kontur der Düsen sind diese massiv durch Erosion geschädigt worden. Dadurch haben diese ihre Funktion als Blende verloren, was eine Schädigung weiterer Komponenten des Rauchgasreinigungssystems zur Folge hatte. Zur Validierung des numerischen Strömungslösers wurde das Experiment von Kumar et al. (1983) ausgewählt und ein qualitativ vergleichbares Ergebnis generiert (60% des experimentellen Werts). Das charakteristische Verschleißbild des Experiments stellt sich nur unter Verwendung eines stochastischen Partikel-Wand-Kollisionsmodells mit hoher Wandrauigkeit ein. Im Fall glatter Wände ist der erosive Verschleiß insgesamt geringer und es verschiebt sich das Maximum der lokalen Erosionsrate. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen ist sowohl die Kontur der Laval-Düse des HKW Cottbus modifiziert worden als auch das Material der Düsenwandung von 13CrMo44-Stahl zu Siliziumcarbid-Keramik geändert worden. Die numerischen Simulationen des 4-Wege-gekoppelten Strömungslösers zeigen, dass sich das lokale Maximum der Verschleißrate im kritischen Bereich der Düsenkehle auf 1.5 % des Ausgangswerts reduziert und zugleich von der Düsenkehle weg verschiebt. In dieser Doktorarbeit ist im Gegensatz zu vergleichbaren numerischen Studien eine Validierung des Strömungslösers an experimentellen Daten durchgeführt worden. Zudem ist die Bedeutung der Partikel-Partikel-Kollisionen und der Wandrauigkeiten für die Berechnung des erosiven Verschleißes bei Laval-Düsen aufgezeigt worden. N2 - The following doctoral thesis describes the mechanism for the mechanical erosion of a cold gas Laval nozzle, which is in use for pneumatic conveying of coal ash or coal. Therefore 3D-CFD-simulations of a gas-particle-mixture were performed using the software package OpenFOAM and a density based compressible 2-way-coupled and 4-way-coupled multiphase-solver was developed. In addition, the particle supplied methods were extensively enhanced, for example with an advanced stochastic particle-wall (Sommerfeld & Huber, 1999) and particle-particle treatment including linear and rotatory conservation of momentum. The following forces are in use for the numerical simulations: The drag-force by Henderson (1976), the force due to pressure and stress tensor and the buoyancy force. In order to calculate the wall erosion, the empirical models of Tabakoff (Grant & Tabakoff, 1973) and Oka (Oka et al., 2005; Oka & Yoshida, 2005) are applied. This work was done in collaboration with the Cottbus power plant, where some of its nozzles used for the exhaust gas cleaning system were widened and destroyed. This led to a significant increase of the erosion within the entire system. So, the numerical solver was furthermore used for a geometrical optimization of these Laval nozzles. The numerical solver was validated with the experiment by Kumar et al. (1983). These results are in good agreement with the experiment (around 60 % of the experimental values), but could only achieved with stochastically modelled rough walls for the particle-wall-collisions. In the case of smooth walls the distribution of the erosive wear is very different profile with a substantial shift of the erosion rate’s maximum. With this experience, the shape of the industrial applied nozzle from the Cottbus power plant was modified as well as the wall material was changed from 13CrMo44-steel to silicon carbide. The numerical simulations of the 4-way-coupled multiphase-solver show a significant reduction of the erosion rate’s maximum to 1.5% of the start value together with a shift away from the nozzle throat. In contrast to former numerical studies this thesis was able to validate the numerical solver with experimental data and to show the importance of particle-particle-collisions and the correct approximation of the particle-wall-collisions for the prediction of the erosive wear. KW - Laval-Düse KW - Gas Partikel Strömung KW - Mechanische Erosion KW - CFD KW - Laval nozzle KW - Gas particle flow KW - Mechanical erosion KW - Laval-Düse KW - Fluidpartikelströmung KW - Numerische Strömungssimulation KW - Erosion Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-47976 ER - TY - THES A1 - Zaussinger, Florian T1 - Modeling and simulation of thermo-electro hydrodynamics T1 - Modellierung und Simulation von thermo-elektro Hydrodynamik N2 - The GeoFlow (Geophysical Flow) experiment on the International Space Station (ISS) and the AtmoFlow (Atmospherical Flow) experiment are designed to study convective processes under microgravity conditions in the spherical gap geometry. By applying a high voltage field between two concentric spherical shells and utilizing a dielectric working fluid it is possible to maintain an artificial radial force field that is comparable to a planetary gravitational field. This makes it possible to study convection such as known from the Earth's outer core, the Earth's mantle, or planetary atmospheres. The radial force field is based on the dielectrophoretic effect and is described by thermo-electro hydrodynamics (TEHD). This habilitation thesis presents a comprehensive view on modeling TEHD and the numerical simulation of the governing equations with a focus on GeoFlow and AtmoFlow. The GeoFlow experiment investigated thermal convection with and without dielectric (internal) heating under long-time micro-gravity conditions on the ISS. This unique experimental setup consisted of a bottom heated and top cooled spherical gap, filled with the silicon oil M5 or 1-Nonanol. Rotation, varying voltage, and temperature differences across the gap could be applied, to spread the experimental parameter space. The main focus of GeoFlow was the investigation of flow properties such as the convective onset, the transition from laminar to turbulent flows, and the influence of rotation on convection. Experimental outcomes were compared with theoretical and numerical results via advanced post-processing techniques. This includes pattern recognition algorithms and statistical evaluation of the numerical simulations. The TEHD model was validated on the onset of convection through linear stability analysis, on properties of columnar cells and global convective structures such as regular laminar flows. It is shown that TEHD based convection is comparable with Rayleigh-Benard convection and that is can be described by the quasi-normal approximation. For rotating cases and low super-criticalities the Proudman-Taylor theorem dominated the fluid flow which resulted in global columnar cells. In summary, the presented TEHD model is able to explain certain aspects of convective flows observed in GeoFlow. It is the first validation for such a model at all stages. The AtmoFlow experiment is based on GeoFlow but is designed to investigate global cells and planetary waves which are known from planetary atmospheres. Its unique feature are the atmospheric-like boundary conditions. Understanding the interaction between atmospheric circulation and a planet's climate, be it Earth, Mars, Jupiter, or a distant exoplanet, contributes to various fields of research such as astrophysics, geophysics, fluid physics, and climatology. AtmoFlow is currently under construction and is planned for operation on the ISS in 2024. N2 - Das GeoFlow (Geophysical Flow)-Experiment auf der Internationalen Raumstation (ISS) und das AtmoFlow (Atmospherical Flow)-Experiment dienen der Untersuchung konvektiver Prozesse unter Mikrogravitationsbedingungen in der Kugelspaltgeometrie. Durch Anlegen eines Hochspannungsfeldes in der Kugelschalen und unter Verwendung eines dielektrischen Fluides ist es möglich, ein künstliches radiales Kraftfeld aufrechtzuerhalten, das mit einem planetaren Gravitationsfeld vergleichbar ist. Damit ist es möglich Konvektion zu untersuchen, wie sie aus dem äußeren Erdkern, dem Erdmantel oder aus Planetenatmosphären bekannt ist. Das radiale Kraftfeld basiert auf dem dielektrophoretischen Effekt und wird durch die Thermo-Elektro-Hydrodynamik (TEHD) beschrieben. Das GeoFlow-Experiment untersuchte die thermische Konvektion mit und ohne dielektrischer (interne) Heizung unter Mikrogravitationsbedingungen auf der ISS. Dieser einzigartige Versuchsaufbau bestand aus einem innen beheizten und außen gekühlten Kugelspalt, der mit dem Silikonöl M5 oder 1-Nonanol gefüllt war. Rotation, variierende Spannung und Temperaturdifferenzen definierten den experimentellen Parameterraum. Der Schwerpunkt von GeoFlow lag auf der Untersuchung von Strömungseigenschaften wie dem Einsetzen der Konvektion, dem Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung und dem Einfluss der Rotation auf die Konvektion. Die experimentellen Ergebnisse wurden mit theoretischen und numerischen Resultaten mittels fortschrittlicher Post-Processing-Techniken verglichen. Dazu gehören Algorithmen zur Mustererkennung und die statistische Auswertung der numerischen Simulationen. Das TEHD-Modell wurde hinsichtlich des Einsetzens der Konvektion durch eine lineare Stabilitätsanalyse, bezüglich Kolumnarzellen und globaler konvektiver Strukturen sowie regelmäßiger laminarer Strömungen validiert. Es konnte gezeigt werden, dass die TEHD-basierte Konvektion mit der Rayleigh-Benard-Konvektion vergleichbar ist und dass sie durch die quasi-normale Näherung beschrieben werden kann. Für rotierende Fälle und niedrige Überkritikalitäten dominiert das Proudman-Taylor-Theorem die Strömung, was zu globalen kolumnaren Zellen führt. Das AtmoFlow-Experiment basiert auf GeoFlow, ist aber darauf ausgelegt, globale Zellen und planetare Wellen zu untersuchen, die aus planetaren Atmosphären bekannt sind. Einzigartig sind in diesem Experiment die atmosphärenähnlichen Randbedingungen. Das Verständnis der Wechselwirkung zwischen der atmosphärischen Zirkulation und dem Klima eines Planeten, sei es die Erde, dem Mars, des Jupiters oder entfernter Exoplaneten, trägt zu einer Vielzahl an Forschungsgebieten wie z.B. Astrophysik, Geophysik, Fluidphysik und Klimatologie bei. AtmoFlow befindet sich derzeit im Bau und ist für den Betrieb auf der ISS im Jahr 2024 geplant. KW - Hydrodynamics KW - Numerics KW - Micro-gravity KW - Strömungsmechanik KW - Numerik KW - Mikrogravitation KW - Strömungsmechanik KW - Mikrogravitation Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-55178 ER -