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Beschreibung dreidimensionaler Kohärenter Strukturen in turbulenten Scherschichten mit schräger Abströmkante

Spieweg, René

In der vorliegenden Arbeit wurde die Strömung in einer Scherschicht hinter einer schrägen Abströmkante untersucht. Die schräg auslaufende Kante der Trennplatte stellt eine einfache dreidimensionale Variation der häufig untersuchten zweidimensionalen ebenen Scherschicht dar. Aus dieser Erweiterung der zweidimensionalen Grundkonfiguration ergeben sich einige Veränderungen in der Verteilung der statistischen Größen und in der Ausbildung Kohärenter Strukturen. Es wurde versucht ein Modell zu entwickeln, das die Strukturbildung plausibel werden läßt und Sichtbarmachungen durchzuführen, die dies bildlich belegen. Dazu wurden experimentelle Untersuchungen in Wasser und Luft sowie eine numerische Simulation, aufbauend auf einem Wirbelverfahren, durchgeführt. Die Strukturen wurden im Wasserkanal durch Anfärben der Grenzschicht und durch Wasserstoffblasen sichtbar gemacht. Außerdem wurden mittels Laser-Induced-Fluorescence Serien von Bildern aufgenommen und daraus dreidimensionale Rekonstruktionen der Strukturen errechnet. Im Windkanal wurden Hitzdrahtmessungen und Rauchsichtbarmachungen durchgeführt. Auch hier wurden Lichtschnitte von Rauchaufnahmen zur Rekonstruktion verwendet. Die Simulation wurde benutzt, um die Strukturbildung bei Variation einiger Parameter zu beobachten. Darüberhinaus wurden in der Simulation Pseudo-Hitzdrahtmessungen durchgeführt um die Ergebnisse mit den Experimenten besser vergleichen zu können. Die Experimente beschränkten sich auf den Fall der Theta = 45° schrägen Kante, mit der Simulation wurden Berechnungen für Theta = 30°, 45°, 60° und 90° angestellt. Theta = 90° stellt dabei den ebenen zweidimensionalen Aufbau mit einer geraden (senkrecht zur Hauptströmungsrichtung verlaufenden) Abströmkante dar. Die deutlich komplexere Form der Strukturen im Gegensatz zu den klassischen rollern (0. Mode) der ebenen Anordnung, wird in allen drei Teiluntersuchungen deutlich. Man erkennt, daß die Wirbel sich zur Aufrechterhaltung ihrer mittleren Wirbelstärke in Spantrichtung zu einer Art Zickzack-Muster in dieser Richtung verbiegen müssen. Dabei werden sie auch in der Richtung senkrecht zur Strömungsebene verformt. Die Komplexität dieser Strukturen führt dann auch auf Grund von Eigeninduktionen zu einem schnelleren Zerfall, was wiederum zu einer höhrern Durchmischung führt. Je steiler der Winkel der Abströmkante wird, desto instabiler und damit auch seltener werden die charakteristischen Strukturen. Durch eine zusätzliche periodische Anregung entlang der Kante können die Strukturen länger stabilisiert werden.