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 - 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 - Butt, Mohammad Usman T1 - Experimental investigation of the flow over macroscopic hexagonal structured surfaces T1 - Experimentelle Untersuchung der Strömung über makroskopisch strukturierte Oberflächen N2 - The flow over macroscopic patterned/structured surfaces was investigated in a subsonic wind tunnel over Reynolds numbers ranging from 3.14 x 104 to 2.77 x 105 for cylinders and from 5.34 x 105 to 11.27 x 106 for plates. The investigations were accomplished by measuring local and global drag, velocity profiles and by visualization of the flow above the surface. The investigations on structured cylinders revealed that a cylinder with outwardly curved structures has a drag coefficient of about 0.65 times of a smooth one. Flow visualization was carried out by using oil-film technique and velocity profile measurements to elucidate the observed effect, and hence present the mechanism responsible for the observed drag reduction. The near-wall velocity profiles above the surface revealed that a hexagonal bump induces local separation generating large turbulence intensity along the separating shear layer. Due to this increased turbulence, the flow reattaches to the surface with a higher momentum and become able to withstand the pressure gradient delaying the main separation significantly. Besides that, the separation does not appear to occur in a straight line along the length of the cylinder, but follow the curved path forming a wave with its crest at 115° and trough at 110°, in contrast to the laminar separation line at 85° on a smooth cylinder. Investigations on structured plates were performed with the help of hot wire anemometry and oil film interferometry. The main concern of the experiments on structured plates was to examine the effect of hexagonal structures on local and global drag of a structured plate. It was accomplished by determining and analyzing the boundary layer quantities like shear stress velocities, shear stress coefficients and momentum thicknesses over a selected Reynolds number range and various locations in streamwise direction. The results indicate that the values of shear stress coefficients measured by the conventional Clauser chart method are up to 13% higher than the ones deduced by the Oil film Interferometry. Additionally, a maximum of 19% reduction in shear stress coefficient behind the inwardly curved structured plate was observed. On the other hand, a dramatic increase of about 120% in global drag coefficient supersedes the observed reduction in shear stresses at rear of the test plates. Investigations on individual hexagonal structures by measuring the shear stresses and the pressure distribution above the surface revealed that an uneven pressure distribution contributing in total drag force is responsible for a huge increase in global skin drag coefficient. Finally, a number of configurations of a wind turbine made of smooth and structured blades were investigated to compare their efficiencies at various flow velocities. No significant deviation in the efficiencies was observed. N2 - Im Rahmen dieser Arbeit, wurde die Strömung über makroskopisch strukturierten Oberflächen in einem Unterschall-Windkanal untersucht. Die Untersuchungen erfolgten bei Reynolds-Zahlen von 3.14 x 104 bis 2.77 x 105 für Zylinder und von 5.34 x 105 bis 11.27 x 106 für Platten. Weiterhin wurden Messungen lokaler und globaler Widerstände, von Strömungsvisualisierungen und Geschwindigkeitsprofilen durchgeführt. Das Ziel der Untersuchungen an Zylindern war, den Einfluss dieser Strukturen auf die Strömungsgrößen wie Druckwiderstand und Wirbelablösefrequenzen zu ermitteln. Die Untersuchungen zeigten, dass der strukturierte Zylinder mit nach außen gewölbten Strukturen einen Widerstandkoeffizient mit einem Faktor von 0,65 dem eines glatten Zylinders aufweist. Messungen wurden durchgeführt mit der Öl-Film Methode und der Hitzdraht Anemometrie. Die Geschwindigkeitsprofile in der Nähe der Wand zeigten, dass eine Hexagonal Struktur eine lokale Ablösung verursacht und dadurch die Turbulenz in der Grenzschicht erhöht. Aufgrund des erhöhten Turbulenzgrades legt sich die Strömung mit einem höheren Impuls an die Oberfläche an und ist somit fähig einen negativen Druckgradienten zu überstehen. Als Folge ist die Hauptablösung deutlich verzögert. Außerdem findet die Ablösung nicht linear und senkrecht zur Strömung statt, sondern in Form einer Welle mit ihrem Maximum bei 115° und Minimum bei 110°. Dies steht im Gegensatz zu der laminaren Ablöselinie bei 85° für glatte Zylinder. Die strukturierten Platten wurden ebenfalls mit der Hitzdraht Anemometrie und der Öl-Film Interferometrie untersucht. Das Ziel bei diesen Untersuchungen war es den Einfluss von hexagonalen Strukturen auf den lokalen und globalen Widerstand einer strukturierten Platte zu ermitteln. Über die Clauser-Chart Methode bestimmte Scherspannungen sind etwa 13% höher als die mit der Öl-Film Interferometrie ermittelten Werte. Zudem wurde eine Minderung von ca. 19% der Scherspannung hinter einer strukturierten Platte festgestellt. Der globale Widerstand der gesamten Platte steigt gleichzeitig dramatisch um 120%. Durch Messen der Scherspannung und der Druckverteilung über den individuellen Strukturen ist festgestellt worden, dass die unregelmäßige Druckverteilung einen zusätzlichen Druckwiderstand erzeugt und für die enorme Vergrößerung des globalen Widerstandes verantwortlich ist. Letztendlich, wurde eine Vielzahl an Konfigurationen einer aus flachen als auch strukturierten Schaufeln gefertigten Windturbine bei unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten untersucht. Es konnte keine deutliche Änderung im Wirkungsgrad der Turbine aus strukturierten Schaufeln festgestellt werden. KW - Aerodynamics KW - Oil film interferometry KW - Drag reduction KW - Hot wire anemometry KW - Aerodynamik KW - Öl-Film Interferometrie KW - Widerstandsreduzierung KW - Hitzdraht Anemometrie KW - Hitzdrahtanemometer KW - Turbulente Grenzschicht KW - Strömungsfeld KW - Strömungsmesstechnik Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-30555 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 -