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for the study of two scenarios, in which the nonlinear effects become significant and a traditional linear solution is no longer valid.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 - 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 - Keßler, Raphael T1 - Entwicklung eines raumflugfähigen Moduls zur optischen Untersuchung weicher Materie unter Schwerelosigkeit T1 - Development of a modular soft matter optics setup for microgravity experiments N2 - Mit dem Begriff „weiche Materie“ wird eine Stoffklasse bezeichnet, die uns im Alltag ständig und nahezu überall begegnet. Dennoch zählt die Erforschung solcher Materialsysteme zu einer noch recht jungen Disziplin moderner Materialforschung. Dem Ziel, ein besseres Verständnis und Vorhersehbarkeit mechanischer Eigenschaften zu gewinnen, gehen Kenntnisse über die innere Dynamik voraus. Die Dynamik in solchen Systemen wird dabei von vergleichsweise geringen Kräften getrieben, die bei Untersuchungen auf der Erde von dominant erscheinenden schwerkraftgetriebenen Phänomenen wie beispielsweise der Sedimentation überlagert werden können. In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung einer Anlage beschrieben, die eine modulare Experimentplattform auf einer Höhenforschungsrakete darstellt und Experimente zur Untersuchung weicher Materie unter nahezu gänzlicher Ausschaltung der Schwerkraft ermöglicht. Ein druckdichter und wiederverwendbarer Rumpf stellt den Experimenten auch während des Fluges atmosphärische Bedingungen zur Verfügung, wobei durch eine Luke nicht langzeitstabile Proben kurz vor Start der Rakete integriert werden können. Häufig genutzte Diagnostikelemente von Lichtstreuexperimenten und Servicesystemkomponenten zur Versorgung mit Energie und Informationen werden in eine Baugruppe gebündelt und über definierte Schnittstellen für Neuentwicklungen zugänglich gemacht, sodass deren Entwicklungszeiten verkürzt werden können. Exemplarisch werden zwei Lichtstreuexperimente entwickelt und in das Modul integriert: Ein kolloidaler Teil, der die Bewegung aktiver Mikroschwimmer untersucht, und einen granularen Teil, bei dem Licht an Teilchen und Gasblasen gestreut wird. Die phototaktisch getriebenen Mikroschwimmer zeigen ohne die auf der Erde unvermeidlichen Randschichteffekte unter Mikrogravitation eine messbar verschiedene Dynamik. Mit einer kritischen Bewertung werden Verbesserungspotentiale aufgelistet, die teils im Zweitflug umgesetzt werden. Für zukünftige Anwendungen auf der Experimentplattform werden Ideen und Vorhaben im Kontext der Möglichkeiten aufgeführt, wobei der Nutzen und der Mehrwert eines wiederfliegenden Moduls an Hand von Ergebnissen aus den stattgefundenen Flügen manifestiert werden können. N2 - The term "soft matter" refers to a class of materials that we encounter constantly and almost everywhere in everyday life. Nevertheless, research into such material systems is still a relatively new discipline in modern materials research. The aim of gaining a better understanding and predictability of mechanical properties is preceded by knowledge of the internal dynamics. The dynamics in such systems are driven by comparatively small forces, which can be superimposed by seemingly dominant gravity-driven phenomena such as sedimentation during investigations on Earth. This paper describes the development of a system that represents a modular experimental platform on a sounding rocket and enables experiments to investigate soft matter with almost complete elimination of gravity. A pressure-tight and reusable fuselage provides the experiments with atmospheric conditions even during the flight, whereby non-long-term stable samples can be integrated through a hatch shortly before the launch of the rocket. Frequently used diagnostic elements of light scattering experiments and service system components for the supply of energy and information are bundled into one assembly and made accessible for new developments via defined interfaces, so that their development times can be shortened. As an example, two light scattering experiments are developed and integrated into the module: A colloidal part, which investigates the movement of active microswimmers, and a granular part, in which light is scattered by particles and gas bubbles. The phototactically driven microswimmers exhibit measurably different dynamics under microgravity without the boundary layer effects that are unavoidable on Earth. A critical evaluation lists potential improvements, some of which will be implemented in the second flight. For future applications on the experimental platform, ideas and plans are listed in the context of the possibilities, whereby the benefits and added value of a re-flying module can be manifested on the basis of results from the flights that have taken place. KW - Mikrogravitation KW - Höhenforschungsrakete KW - Weiche Materie KW - Microgravity KW - Sounding rockets KW - Soft matter KW - Höhenforschungsrakete KW - Weiche Materie KW - Mikrogravitation Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-66960 ER - TY - THES A1 - Hasanuzzaman, Gazi T1 - Experimental investigation and CFD analysis of wind energy estimation considering building integrated ducts T1 - Experimentelle Untersuchung und numerische Analyse von gebäudeintegrierten Windkraftanlagen N2 - Wind energy is a growing concern over the present awareness of lethal impact of green house gas emission. This energy source has been proven a promising alternative to fossil fuel based energy. Increased onshore wind capacity and decreased amount of low roughness wind sites has inspired the wind energy researchers to explore the possibilities of wind energy from high roughness sites such as urban area. Moreover, exhausted grid capacity between the wind energy producer from remote area and the consumer at city is also a major constrain for wind energy expansion. Driven by such motivation, this thesis has explored possibilities of wind energy conversion from buildings where energy is needed the most. Urban topography is known to be highly turbulent region considering its roughness characteristics. Wind energy yield from urban aerodynamics is a vast arena of experimental research. Within the time frame of the thesis period and available opportunities, a brief description about the wind energy assessment modelling approach from urban flow was outlined. There are several possibilities of wind energy yield from the built structure, but only building integrated duct was focused in this thesis. Time-averaged and global wind speed on the building integrated ducts, flow around the buildings was measured from wind tunnel and numerical analysis. Available wind energy yield and turbulence present in the locations measured from the flow was calculated based on the wind tunnel data and summarized with the pros and cons of the particular geometry. Elliptical duct configuration was found to achieve maximum energy yield from the omnidirectional free stream flow. However, simple rectangular duct configuration was determined as most efficient and optimized considering its simplicity, financial feasibility and relative energy yield with other duct configuration. The thesis also showed that on roof configuration is also very promising for wind energy exploration from the omnidirectional free stream flow. Necessary recommendations were made based on available result for future development of the research approach. Scope and opportunities was mentioned. This investigation has proved that it is possible to extract limited amount of wind energy from building augmented ducts using concentrator effect of the building exterior. Thus, the thesis concluded that the wind energy yield from building augmented ducts using the concentrator effect of the building exterior is a promising renewable energy source. N2 - Windenergie gibt angesichts des gegenwärtigen Bewusstseins für die tödlichen Auswirkungen von Treibhausgasemissionen zunehmend Anlass zur Sorge. Die erhöhte Onshore-Windkapazität und die verringerte Anzahl von Windstandorten mit geringer Rauheit haben die Windenergieforscher dazu inspiriert, die Möglichkeiten der Windenergie von Standorten mit hoher Rauheit, wie z. B. städtischen Gebieten, zu untersuchen. Darüber hinaus ist auch die erschöpfte Netzkapazität zwischen dem Windenergieerzeuger in abgelegenen Gebieten und dem Verbraucher in der Stadt ein großes Hindernis für den Ausbau der Windenergie. Angetrieben von einer solchen Motivation hat diese Arbeit Möglichkeiten der Windenergieumwandlung von Gebäuden untersucht, in denen die Energie am meisten benötigt wird. Die städtische Topographie ist aufgrund ihrer Rauheitseigenschaften als hochturbulente Region bekannt. Darüber hinaus erfordert die Komplexität des städtischen Gebiets aufgrund seiner unterschiedlichen Topographie und Form ein besseres Verständnis in Bezug auf die Aerodynamik. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Möglichkeit der Windenergieausbeute von Gebäuden und die geeignete Designlösung zu untersuchen. Im zeitlichen Rahmen der Arbeit und der verfügbaren Möglichkeiten wurde eine kurze Beschreibung des Modellierungsansatzes für die Windenergiebewertung aus dem urbanen Fluss skizziert. Es existieren mehrere Möglichkeiten der Windenergieausbeute aus der gebauten Struktur, aber in dieser Arbeit wurde nur der gebäudeintegrierte Kanal fokussiert. Die zeitlich gemittelte und globale Windgeschwindigkeit auf den gebäudeintegrierten Kanälen, die Strömung um die Gebäude herum wurde aus dem Windkanal und der numerischen Analyse gemessen. Verfügbare Windenergieerträge und vorhandene Turbulenzen an den aus der Strömung gemessenen Stellen wurden auf Basis der Windkanaldaten berechnet und mit den Vor- und Nachteilen der jeweiligen Geometrie zusammengefasst. Es wurde festgestellt, dass eine elliptische Kanalkonfiguration eine maximale Energieausbeute aus dem omnidirektionalen freien Stromfluss erzielt. Jedoch wurde eine einfache rechteckige Kanalkonfiguration als die effizienteste und optimierte unter Berücksichtigung ihrer Einfachheit, finanziellen Machbarkeit und relativen Energieausbeute mit anderen Kanalkonfigurationen bestimmt. Die Diplomarbeit zeigte auch, dass die Auf-Dach-Konfiguration auch für die Windenergieerkundung aus der omnidirektionalen freien Strömung sehr vielversprechend ist. Notwendige Empfehlungen wurden basierend auf verfügbaren Ergebnissen für die zukünftige Entwicklung des Forschungsansatzes gegeben. Umfang und Möglichkeiten wurden genannt. Diese Untersuchung hat bewiesen, dass es möglich ist, eine begrenzte Menge an Windenergie aus gebäudegestützten Kanälen zu extrahieren, indem der Konzentrator-Effekt der Gebäudehülle genutzt wird. KW - Atmospheric boundary layer KW - Wind energy KW - Laser Doppler Anemometry KW - Numerical simulation KW - Computational Fluid Mechanics KW - Atmosphärische Grenzschicht KW - Windenergie KW - LDA KW - Numerische Simulation KW - Windkanal KW - Windenergie KW - Windkanal KW - Atmosphärische Grenzschicht KW - Laser-Doppler-Anemometrie KW - Numerische Strömungssimulation Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-61928 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 - 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 - Shahirpour, Amir T1 - A characteristic dynamic mode decomposition to detect transport-dominated large-scale coherent structures in turbulent wall-bounded flows T1 - Eine charakteristische dynamische Modenzerlegung zur Erkennung von transportdominierten großskaligen kohärenten Strukturen in turbulenten wandbegrenzten Strömungen N2 - Large-scale energetic coherent structures are detected in turbulent pipe flow at shear Reynolds number of 181. They are distinguished by having long lifetimes, living on large scales and contributing prominently to the spectral peak in premultiplied spectra of streamwise velocity component. In order to investigate these structures in the absence of small scale perturbations, they are extracted from the underlying multi-scaled and complex turbulent flow. For this purpose, data-driven methods such as Proper Orthogonal Decomposition (POD) and Dynamic Mode Decomposition (DMD) are suitable candidates as long as the structures are stationary in space and time. Nevertheless, the transport-dominated nature of structures in wall-bounded flows poses a major problem to application of such methods. Different instances of a structure travelling with a certain group velocity in space and time will be perceived as different modes. This results in poorly decaying singular values signifying that many modes will be required to describe a single structure. To remedy this issue a Characteristic DMD (CDMD) is developed showing that on a properly chosen frame of reference along the characteristics defined by the group velocity, a POD or DMD reduce the moving structures to a few modes. Reconstruction of the candidate modes in the spatio-temporal space and transforming them back to physical space gives the low rank model of the flow. The method is initially applied to the vortex head of a compressible starting jet as it offers a distinct coherent structure and therefore, can serve as a success measure of the method. The vortex head is described with a few modes only and it is shown that the dynamics associated with the modes are detected more accurately on a moving frame. In the next step the developed method is applied to the data from Direct Numerical Simulations (DNS) and a low dimensional subspace is extracted out of highly complex turbulent pipe flow. The essential features of the flow such as spectral energy and Reynolds stresses are captured in a subspace with only 3% of the modes. The structures living in this subspace have long lifetimes, possess wide range of length-scales and travel at group velocities close to that of the moving frame of reference. Having a significantly lower degree of freedom, the detected low rank subspace offers a more clear basis for capturing large-scale persistent structures. Aiming at separating the scales, a second spatio-temporal decomposition is applied to the low rank subspace, normal to the direction of characteristics. A secondary subspace is formed comprising of the modes with large scales using only 10% of the new modes. Investigating the spectral and turbulent properties of the mentioned subspace, shows that it accommodates the near-wall streaks. The captured streaks show a significant contribution to the spectrum of streamwise velocity component and very low contributions to the spectra ofradial and azimuthal components. The developed CDMD proves to be an effective tool to detect and identify the large-scale coherent structures in wall-bounded turbulent flows. N2 - Großskalige energetische kohärente Strukturen in einer turbulenten Rohrströmung bei einer Scher-Reynoldszahl von 181 werden aufgelöst und nachgewiesen. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass sie eine lange Lebensdauer haben, auf großen Skalen leben und in den vormultiplizierten Spektren der Geschwindigkeitskomponente in Strömungsrichtung einen bedeutenden Beitrag zur spektralen Amplitude leisten. Um diese Strukturen in Abwesenheit von kleinräumigen Störungen zu untersuchen, werden sie aus der zugrunde liegenden vielskaligen und komplexen turbulenten Strömung extrahiert. Zu diesem Zweck eignen sich datengesteuerte Methoden wie die Proper Orthogonal Decomposition (POD) und die Dynamic Mode Decomposition (DMD), sofern die Strukturen in Raum und Zeit stationär sind. Dennoch stellt die transportdominierte Natur von Strukturen in wandbegrenzten Strömungen ein großes Problem für die Anwendung solcher Methoden dar. Verschiedene Instanzen einer Struktur, die sich mit einer bestimmten Gruppengeschwindigkeit in Raum und Zeit bewegen, werden als unterschiedliche Moden wahrgenommen. Dies führt zu schlecht abfallenden Singulärwerten, was bedeutet, dass viele Moden erforderlich sind, um eine einzige Struktur zu beschreiben. Um dieses Problem zu lösen, wird eine charakteristische DMD (CDMD) entwickelt, die zeigt, dass entlang der Charakteristiken eine POD oder DMD, bei einem richtig gewählten Bezugsrahmen, die bewegten Strukturen auf wenige Moden reduziert. Die Rekonstruktion der Kandidatenmoden im raum-zeitlichen Raum und ihre Rücktransformation in den physikalischen Raum ergibt das niedrigrangige Modell der Strömung. Die Methode wird zunächst auf den Wirbelkopf eines kompressiblen Freistrahls angewandt, da dieser eine ausgeprägte kohärente Struktur aufweist und daher als Erfolgsmaßstab für die Methode dienen kann. Der Wirbelkopf wird mit nur wenigen Moden beschrieben, und es wird gezeigt, dass die mit den Moden verbundene Dynamik in einem bewegten Rahmen genauer erfasst wird. Im nächsten Schritt wird die entwickelte Methode auf die Daten aus Direkten Numerischen Simulationen (DNS) angewendet und ein niedrigdimensionaler Unterraum aus einer hochkomplexen turbulenten Rohrströmung extrahiert. Die wesentlichen Merkmale der Strömung wie spektrale Energie und Reynoldsspannungen werden in einem Unterraum mit nur 3% der Moden erfasst. Mit einem deutlich geringeren Freiheitsgrad bietet der ermittelte Unterraum mit niedrigem Rang eine klarere Grundlage für die Erfassung großräumiger, anhaltender Strukturen. Um die Skalen zu trennen, wird eine zweite räumlich-zeitliche Zerlegung auf den Unterraum mit niedrigem Rang, normal zur Richtung der Merkmale, angewendet. Es wird ein sekundärer Unterraum gebildet, der die Moden mit großen Skalen enthält, wobei nur 10% der neuen Moden verwendet werden. Die Untersuchung der spektralen und turbulenten Eigenschaften des genannten Unterraums zeigt, dass er die wandnahen Streaks beherbergt. Die erfassten Streaks zeigen einen signifikanten Beitrag zum Spektrum der Geschwindigkeitskomponente in Strömungsrichtung und sehr geringe Beiträge zu den Spektren der radialen und azimutalen Komponenten. Das entwickelte CDMD erweist sich als ein effektives Werkzeug zur Erkennung und Identifizierung großräumiger kohärenter Strukturen in wandbegrenzten turbulenten Strömungen. KW - Coherent structures KW - Dynamische Modenzerlegung KW - Turbulent wall-bounded flows KW - Dynamic Mode Decomposition KW - Kohärente Stukturen KW - Turbulente wandbegrenzte Strömungen KW - Turbulente Strömung KW - Rohrströmung KW - POD-Methode KW - Direkte numerische Simulation Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-69583 ER -