Experimental investigation of passive and active friction drag reduction

Li, Wenfeng; Olivier, Herbert; Schröder, Wolfgang

doi:HT019568765

Experimental investigation of passive and active friction drag reduction = Experimentelle Untersuchung aktiver und passiver Maßnahmen zur Reibungswiderstandsreduktion

Li, Wenfeng^RWTH*

2017 & 2018

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Wenfeng Li

ImpressumAachen 2017

Umfang1 Online-Ressource (x, 106 Seiten) : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2018

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Schröder, Wolfgang (Thesis advisor)^RWTH* ; Olivier, Herbert (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-08-25

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2017-10471
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/710241/files/710241.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/710241/files/710241.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehrstuhl für Strömungslehre und Aerodynamisches Institut (415110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
drag reduction (frei) ; riblets (frei) ; spanwise traveling surface wave (frei) ; turbulent boundary layer (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
The objective of this thesis is to contribute to the development of passive and active flow control methods for friction drag reduction. On the one hand, the study focuses on the drag reduction effect of passive riblets, i.e., surface structures that consist of tiny grooves aligned in the streamwise direction, in fully developed turbulent boundary layers (TBLs). On the other hand, the conjunction of passive and active friction drag reduction means is investigated by imposing spanwise traveling transversal surface waves on a riblet-structured surface. Experimental investigations are conducted above a flat plate with an aluminum insert whose upper surface is either smooth or riblet-structured. The insert is equipped with an electromagnetic actuator system to generate spanwise traveling transversal surface wave motions. Particle-image velocimetry (PIV) and micro-particle-tracking velocimetry (μ-PTV) are applied to investigate the influence on the TBL flows and the friction drag by riblets and the wave motions. In order to determine the impact of flow conditions and wave parameters, measurements are conducted at different Reynolds numbers, pressure gradients, unsteady inflow conditions, and wave configurations.The drag reduction of the semi-circular riblets is found to be 4.7% in a zero-pressure gradient TBL with riblet spacing of 24 wall units whereas it is increased to 6 - 7% in realistic conditions, i.e., adverse-pressure gradient and unsteady flows with smaller riblet spacings. The streamwise and wall-normal velocity fluctuations, as well as the Reynolds shear stress, are decreased compared with that of the smooth surface configurations in the near-wall region. This suggests that the turbulence production and the viscous dissipation are altered by riblets. The active spanwise traveling transversal surface wave with wall deformation is imposed on the riblets surface by the actuator system. The results show that the passive and the active means, i.e., the riblet surface and the transversal surface wave motion, complement each other with respect to drag reduction in the zero-pressure gradient TBL. The spanwise transversal wave motion on the riblet surface achieves a significantly larger drag reduction of 9.4% in comparison with the non-actuated riblet surface. This high drag reduction is due to the wall-normal momentum that is inserted into the flow such that the turbulent mixing region is shifted further off the wall than in the non-actuated case. Under adverse-pressure gradient conditions, the induced wall-normal momentum is not enough to influence the upper turbulence structure so that the drag reduction effect of riblets is not enhanced by the waves. It is found that a spanwise secondary flow is induced by the surface wave motion. The secondary flow shields the vortical structure from the wave trough preventing the downwash of high-monument fluid to the wall. The analysis of the low-speed streaks shows that the induced secondary flow rearranges the near-wall turbulence structures above the actuated riblet surface.

Diese Dissertation soll dazu beitragen, die Entwicklung von passiven und aktiven Möglichkeiten der Strömungsbeeinflussung zur Reduktion der Reibungswiderstände voranzutreiben. Einerseits wird im Rahmen dieser Arbeit der Einsatz von passiven Riblets in vollausge-bildeten turbulenten Grenzschichten (TGS) untersucht, d.h. Oberflächenstrukturen, die feine Rillen in Strömungsrichtung aufweisen. Andererseits wird die Kombination passiver Riblets und aktiver Methoden untersucht. Hierbei werden den Ribletoberflächen transversale, in Spannweitenrichtung wandernde Oberflächenwellen aufgezwungen. Die experimentellen Untersuchungen werden an einer Aluminiumplatte durchgeführt, deren Oberfläche entweder glatt, oder mit Riblet-Strukturen versehen ist. Die wandernden, transversalen Wellen-bewegungen werden durch ein elektromagnetisches Aktuatorsystem unterhalb der Platte erzeugt. Zur Untersuchung der Einflüsse der Wellenbewegung und der Riblets auf die turbulenten Grenzschicht und den Reibungswiderstand werden PIV (particle-image velocimetry) und µ-PTV (micro-particle tracking velocimetry) durchgeführt. Um den Einfluss variierender Strömungsbedingungen und Wellenparameter auf den Reibungswiderstand zu bestimmen, werden unterschiedliche Reynoldszahlen, Druckgradienten, instationäre Anströmbedingungen und Wellenkonfigurationen untersucht.In einer TGS ohne Druckgradienten beläuft sich die Widerstandsreduktion durch die halbrunden Riblets auf 4,7% bei einem Riblet Abstand von 24 viskosen Einheiten. Bei realistischen Bedingungen hingegen, d.h. einem positiven Druckgradienten und einer instationären Anströmung wird mit kleineren Riblet-Abständen sogar eine Widerstands-reduktion von 6 - 7% erzielt. Die Geschwindigkeitsschwankungen in Strömungsrichtung und normal zur Wand, sowie die Reynolds’schen Schubspannungen verringern sich im Vergleich zu den Konfigurationen mit glatter Oberfläche. Durch den Einsatz von Riblet-Strukturen werden die Turbulenzproduktion und die viskose Dissipation beeinflusst. Die aktive, in Spannweitenrichtung wandernde, transversale Oberflächenwelle wird durch das Aktuator-System induziert, so dass sich die Ribletoberfläche in wandnormale Richtung verformt. Die Ergebnisse zeigen, dass die aktiven und passiven Methoden, d.h. die bewegte Oberfläche und die Riblet-Strukturen, sich hinsichtlich einer Widerstandsverminderung in einer TGS ohne Druckgradienten ergänzen. Die transversale Wellenbewegung in Spannweitenrichtung der Riblet-Oberflächen verringert den Strömungswiderstand um 9,4%. Dieser große Rückgang lässt sich auf den durch die Welle induzierten wandnormalen Impuls zurückführen, der auf die Strömung wirkt und die turbulente Mischung im Vergleich zur glatten, nicht-aktuierten Oberfläche von der Wand weg verschiebt. Im Falle eines positiven Druckgradienten ist der wandnormale Impuls zu schwach um die sich in höheren Strömungsschichten befindlichen turbulenten Strukturen zu beeinflussen, sodass der Effekt der Widerstandsreduktion von Riblet-Strukturen durch die Wellenbewegung nicht verbessert wird. Es wird gezeigt, dass durch die in Spannweitenrichtung wandernde Transversalwellen-bewegung der Oberfläche eine Sekundärströmung induziert wird. Das sekundäre Strömungsfeld schirmt die Wirbelstrukturen über dem Wellental ab, sodass verhindert wird, dass Fluid mit hoher Geschwindigkeit in Wandnähe induziert wird. Dadurch wird die Wirbelstruktur der Welle durch den Abwind des schnellen Fluids in wandnahe Regionen geschützt. Die Analyse der Low-Speed Streaks zeigt, dass die induzierte Sekundärströmung zu einer Neuandordnung der wandnahen turbulenten Strukturen über der aktuierten Ribletoberfläche führt. Die wandnahen turbulenten Strukturen, die gegenläufige Wirbel mit kleineren Abständen enthalten, werden von der Wand über den Wellenberg geschoben.

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