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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.
The incompressible temporally developing turbulent boundary layer (TBL) and spatially developing turbulent boundary layer (SBL) with and without blowing is analyzed using the map-based stochastic one-dimensional turbulence (ODT) model. An understanding of these idealized flows is of fundamental relevance for boundary layer-type problems, which are frequently encountered in several applications, from atmospheric sciences to engineering. In the ODT model, the flow variables are resolved on all scales along a wall-normal, 1-D domain. These variables are evolved by a deterministic process representing molecular diffusion and by a stochastic process modeling the effect of turbulent advection and pressure fluctuations. Due to the reduction in dimensionality, the model is particularly appropriate for high Reynolds number flow. It is shown that the ODT model is able to capture salient features of the turbulent boundary layer-type flows by comparing the results with various available reference direct numerical simulation (DNS), large eddy simulation (LES) and experimental results. The comparison is presented for the mean velocity profiles, turbulent velocity fluctuation profiles (up to fourth order), the skin friction coefficient and shape factor for different bulk (Reb) and momentum Reynolds numbers (Reθ) using fixed model parameters. The influence of the model parameters is also discussed for various momentum Reynolds numbers for each investigated flow configuration. The results discussed in this thesis suggest that the ODT model is an economical and reasonably accurate approach for the simulation of turbulent boundary layer flows.
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.
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.