Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3184
Main Title: Experimente zur Wirkungsverbesserung von Ribletstrukturen durch Einbringen einer Quergeschwindigkeitskomponente
Translated Title: Experiments to enhance the effectiveness of riblet structures by introducing a lateral velocity component
Author(s): Grüneberger, René
Advisor(s): Thiele, Frank
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Ribletstrukturen können den Reibungswiderstand in voll turbulenten Grenzschichten um bis zu 10% im Vergleich zu glatten Oberflächen senken. In der vorliegenden Arbeit wurde experimentell untersucht, ob durch zusätzliches Einbringen einer periodischen lateralen Geschwindigkeitskomponente ähnlich der über einer lateral oszillierenden Wand diese widerstandsvermindernde Eigenschaft weiter gesteigert werden kann. Die Lateralgeschwindigkeit wurde sowohl aktiv durch extern angetriebene, in Querrichtung um ihren Aufstandspunkt auf der Wand oszillierende Lamellen, als auch passiv durch Riblets mit in der Wandebene zickzack- oder sinusförmig gestalteten Rillentälern generiert. In einem ölgefüllten Strömungskanal wurden bei Reynoldszahlen zwischen 10.000 und 30.000 gleichzeitig die Widerstandskräfte an einer Ribletgeometrie und einer glatten Referenzoberfläche mit einer absoluten Messgenauigkeit von +/-0,003 tau_0 gemessen. Mit oszillierenden Lamellen und einem Verhältnis von Lamellenhöhe zu -abstand h/s=0,8 wurde bei Oszillation der Lamellen mit 0,5 Hz bis 4 Hz eine systematische Veränderung der Widerstandsverminderung beobachtet. Für einen dimensionslosen Lamellenabstand s^+=17 stimmt der Zusammenhang zwischen Oszillationsfrequenz und Änderung des Widerstandsverhaltens qualitativ mit DNS-Daten aus einem Partnerprojekt überein und die Widerstandsverminderung kann bei Oszillation mit einer Periodendauer T^+=100 von 1,4% für stillstehende Lamellen auf 2,7% verbessert werden. Die mit diesem rechteckigen Rillenquerschnitt erzielbare maximale Widerstandsverminderung wurde dabei nicht erhöht. Mit zickzackförmig ausgelenkten Trapezrillen und Querschnitten von h/s=0,3 und 0,9 wurde unter Variation der Amplitude eine im Vergleich zu geraden Rillen gleichen Querschnitts erhöhte Widerstandsverminderung gefunden, die günstigste Beeinflussung gelang dabei mit Amplituden a/s=0,9. Im Falle h/s=0,3 konnte die maximale Widerstandsverminderung der Ribletstrukturen von 6,3% für gerade Rillen auf 7,6% gesteigert werden. Die mit geraden Trapezrillen von h/s=0,5 erreichbare Senkung der Wandschubspannung um 8,1% wurde von keiner Oberfläche mit wellenförmigen Riblets übertroffen. Die gefundene günstige Konfiguration mit zickzackförmigen Rillen stellt jedoch eine mögliche Alternative dar, falls sich gerade Rillen mit h/s=0,5 im konkreten Anwendungsfall als schwierig realisierbar erweisen.
Riblets are capable of reducing the skin friction in fully turbulent boundary layers by up to 10% compared to a smooth surface. In this work, experimental investigations were conducted to investigate wether those drag-reducing characteristics can be enhanced by introducing an additional periodic lateral velocity component similar to that generated by the oscillating wall technique. The lateral velocity component was induced actively by externally-driven oscillating lamellae, that tilt around their contact point to the wall in the lateral direction, as well as in a passive manner by riblets consisting of grooves arranged in a sinusoidal or zigzag pattern when viewed from above. In an oil-filled flow channel at Reynolds numbers between 10,000 and 30,000 the drag forces on a riblet test plate and a smooth reference surface were captured simultaneously with an absolute precision of +/-0.003 tau_0. With oscillating lamellae and a ratio of lamella height to spacing of h/s=0.8, a systematic modification of the drag reduction was observed for frequencies between 0.5 Hz and 4 Hz. For a non-dimensionalised lamella spacing s^+=17, the correlation of the oscillating frequency and its effect on the drag behaviour agrees qualitatively with DNS-data from a joint project and the drag reduction is enhanced from 1.4% for lamellae at rest to 2.7% when oscillating with a period T^+=100. The maximum drag reduction achievable with a rectangular riblet groove cross-section could not be improved. With trapezoidal riblet grooves laterally deflected in a zigzag pattern and cross-section shapes of h/s=0.3 and 0.9, an augmented drag reduction was found under a variation of the zigzag amplitude and the most beneficial manipulation was attained at amplitudes of a/s=0.9. In case of h/s=0.3, the maximum drag reduction of the riblet structures was improved from 6.3% for straight grooves to 7.6% for zigzag grooves. The drag reduction attainable with straight trapezoidal riblet grooves at h/s=0.5 of 8.1% was not exceeded by any test geometry with laterally deflected riblet grooves. The beneficial zigzag modification found is a possible option if in certain cases straight riblet grooves with h/s=0.5 are difficult to apply.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-35033
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/3481
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3184
Exam Date: 26-Mar-2012
Issue Date: 23-Apr-2012
Date Available: 23-Apr-2012
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Oszillierende Wand
Strömungsbeeinflussung
Wandschubspannung
Wellenförmige Riblets
Widerstandsverminderung
Drag reduction
Flow control
Oscillating wall
Skin friction
Wave-like riblets
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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