Experimentelle und analytische Untersuchung zur Drallgrenzschicht

Die Erforschung reibungsbehafteter Strömungsvorgänge und Strömungsphänomene in durchströmten, rotierenden, technischen Systemen ist aufgrund der komplexen Wechselwirkung aus Reibung, Drall und Turbulenz bis heute nicht abgeschlossen. Motivation der vorliegenden Arbeit ist, durch die Erforschung der Grenzschicht einer generischen Innenströmung zu einem physikalischen Verständnis der dabei auftretenden Phänomene beizutragen. Dies geschieht am Untersuchungsgegenstand einer drallfreien Strömung, die in ein koaxial rotierendes Rohr eintritt. Durch Wandhaftung und Viskosität entwickelt sich in dieser Konfiguration ein vom Eintritt des rotierenden Rohres stromab wachsender Bereich mit einer Umfangsgeschwindigkeitskomponente. Dieser als Drallgrenzschicht bezeichnete Bereich überlagert die axiale Grenzschicht und steht mit ihr in Interaktion. Die Ausbildung der Drallgrenzschicht und deren Wechselwirkung mit der axialen Grenzschicht bei vergleichsweise hohen Reynoldszahlen stehen im Fokus der durchgeführten Untersuchung. Untersuchungsparameter sind Reynoldszahl, Durchflusszahl (Verhältnis der mittleren Strömungsgeschwindigkeit zur Rotationsgeschwindigkeit des Rohres), Oberflächenrauheit sowie Turbulenzgrad und axiale Grenzschichtdicke der Anströmung. Ein weiterer Untersuchungsschwerpunkt ist die Ablösung der Strömung im rotierenden Rohr, welche bei kleinen Durchflusszahlen durch die anwachsende Drallgrenzschicht verursacht wird. Untersuchungsmethoden sind die experimentelle Erfassung der Drallgrenzschicht am hierzu errichteten Prüfstand mittels Laser Doppler Anemometrie und die analytische Beschreibung der gesamten Grenzschicht und ihrer Interaktion auf Basis der Integralmethode der Grenzschichttheorie