Experimental investigation of passive and active friction drag reduction

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