Experimentelle Untersuchung kohärenter Strukturen in Rohrströmungen

Abstract

Strömungsmechanische Instabilitäten und Turbulenz sind in Technik und Natur allgegenwärtig. Um die Entstehungsmechanismen turbulenter Strömungen besser verstehen zu können, ist die experimentelle Untersuchung des laminar-turbulenten Übergangs von wesentlicher Bedeutung. In früheren numerischen Untersuchungen wurde die Existenz einer Familie von exakten nichtlinearen dreidimensionalen Lösungen der Navier-Stokes-Gleichungen für druckgetriebene Rohrströmungen nachgewiesen. Da diese wandernde-Wellen-Lösungen alle instabil sind, können sich experimentell beobachtbare kohärente Strukturen im Übergangsbereich nur transient den periodischen Orbits annähern. In der vorliegenden Diplomarbeit wird der Einfluss wellenförmig modulierter Rohre auf den laminar-turbulenten Übergang einer Strömung untersucht. Die Rohrmodelle wurden parametrisch konstruiert und mittels 3D-Druck hergestellt. Aufgrund des modularisierten Aufbaues sind die 8 gewählten Parametersets hinsichtlich ihrer Länge variierbar, was zahlreiche Varianten ermöglicht. Die periodischen Störungen wirken hierbei als räumlich aufgeprägte Zwangskräfte und sollen durch geeignete Wahl der Geometrie eine resonante Anregung der kohärenten Strukturen bewirken. Die Beurteilung des Einflusses der modulierten Rohrstrecke auf kohärente Strukturen erfolgte durch den Einsatz optischer Messmethoden stromabwärts der wellenförmigen Rohre. Durch Strömungsvisualisierung mittels Partikeln wird zunächst eine qualitative Bewertung der Strukturen durchgeführt, was hilfreich ist, um den Parameterraum für zeitintensive Messungen einzugrenzen. Die Visualisierungsversuche geben Aufschluss über die Entstehung und den Zerfall der Strukturen, die Wellenlänge und die Phasengeschwindigkeit. Anschließend wurden Stereo Particle Image Velocimetry (SPIV)-Messungen durchgeführt, wodurch die dreidimensionalen Geschwindigkeitsfelder der Strömung über den gesamten Rohrquerschnitt rekonstruiert werden konnten. In den Experimenten wurden verschiedene kohärente Strukturen mit symmetrischen und asymmetrischen axialen Geschwindigkeitsprofilen bei Reynoldszahlen zwischen 1000 und 1680 erfasst. Diese weisen charakteristische Merkmale wandernder Wellen auf: Wirbel und periodisch modulierte Bereiche niedriger Strömungsgeschwindigkeit. Die Strömungsmuster treten typischerweise nach einer kurzen Entwicklungslänge von etwa 5 Rohrinnendurchmessern D stromabwärts der modulierten Rohre in einem Bereich mit Länge <10D auf, bevor die Strömung wieder in den laminaren Zustand übergeht.

Hydrodynamic instabilities and turbulence are ubiquitous physical phenomena in man-made and natural environment. Experimental investigations of the transition regime between laminar and turbulent flow are essential to acquire a better knowledge about the onset of turbulence. Recent numerical investigations have proven the existence of a family of exact nonlinear three-dimensional solutions of the Navier-Stokes equations for pressure driven pipe flow. Since all of the traveling wave solutions are unstable, experimentally observed coherent structures in the transition regime can only transiently approach these periodic orbits. In this work the effect of using wavy-walled pipes in the transitional flow regime is investigated. A parametric modeling approach has been used to design modulated pipes which subsequently got 3D printed. Due to the modular construction the 8 chosen parameter sets can be varied in length. The periodic pipe-geometry perturbations act as spatial forcing on the flow, where a resonant stimulation of the coherent structures could be achieved by selecting an appropriate geometry. The effect of the wavy-walled pipes on coherent structures was evaluated by using optical measurement methods downstream the modulated geometry. Visualization techniques allowed a qualitative assessment of the flow structures, which helps to narrow down the relevant parameter space. The experiments provide information about the development and decay of the periodic patterns, their period length and the phase speed. Stereo Particle Image Velocimetry (SPIV) measurements have been carried out afterwards, which allows to reconstruct the three-dimensional flow fields over the entire cross-section. Different coherent structures with symmetrical and asymmetrical stream-wise velocity profiles have been experimentally detected at Reynolds numbers between 1000 and 1680. These patterns share characteristic features with traveling wave solutions: vortices and oscillating low-speed streaks. It was observed that the coherent structures are typically present after a short development length of approximately 5 pipe inner diameters D for a distance <10D, before the flow goes back to the laminar state.