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@PHDTHESIS{Li:710241,
author = {Li, Wenfeng},
othercontributors = {Schröder, Wolfgang and Olivier, Herbert},
title = {{E}xperimental investigation of passive and active friction
drag reduction},
school = {RWTH Aachen University},
type = {Dissertation},
address = {Aachen},
reportid = {RWTH-2017-10471},
pages = {1 Online-Ressource (x, 106 Seiten) : Illustrationen},
year = {2017},
note = {Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen
University 2018; Dissertation, RWTH Aachen University, 2017},
abstract = {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.},
cin = {415110},
ddc = {620},
cid = {$I:(DE-82)415110_20140620$},
typ = {PUB:(DE-HGF)11},
doi = {10.18154/RWTH-2017-10471},
url = {https://publications.rwth-aachen.de/record/710241},
}
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