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Laserspektroskopische Untersuchungen laminarer Grenzschichten turbulenter Strömungen mit Hilfe molekularer Marker

Saldern, Johann von

English Title: Laserspectroscopic investigations of laminar boundary layers of turbulent flows using molecular markers

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PDF, German
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Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wurde zunächst ein Strömungskanal zur Untersuchung einer statistisch stationären turbulenten Strömung aufgebaut. Der Kanal besteht aus einem Beobachtungsbereich einer Länge von 18 cm, der so konstruiert ist, dass die Bodenplatte des Kanals problemlos ausgetauscht und durch Platten unterschiedlicher Beschaffenheit ersetzt werden kann. Durch ein sehr großes Seitenverhältnis (Faktor 12) ändert sich die Strömungsgeschwindigkeit nur in Abhängigkeit der Höhe über der Bodenplatte. In dem Strömungskanal lassen sich turbulente Luft- und Stickstoffströmungen bei Reynolds-Zahlen zwischen Re = 6000 und 15500 mit korrespondierenden mittleren Maximalgeschwindigkeiten zwischen 18 und 47 m/s realisieren. Unter Anwendung der am Physikalisch-Chemischen Institut entwickelten Strömungsmarkierungstechnik wurden, basierend auf der Erzeugung von linienförmigen Stickstoffmonoxid-Strukturen, verschiedene turbulente Strömungen untersucht. Die bestehende Technik wurde dahingehend weiterentwickelt, dass die Erzeugung einer Struktur aus drei parallelen NO-Linien möglich ist. Ein detaillierter Vergleich der experimentellen Ergebnisse mit einer am Interdisziplinären Zentrum für wissenschaftliches Rechnen der Universität Heidelberg ausgeführten direkten numerischen Simulation (DNS) zeigt eine sehr gute Übereinstimmung der Verschiebung und der großskaligen Verformung der erzeugten Linienstrukturen durch die turbulente Strömung. Zum Vergleich der in der Simulation initialisierten Turbulenz mit der im Experiment realisierten Strömung wurden simultane Messungen der Linienverschiebung mit Hilfe der Strömungsmarkierungstechnik und des 2-dimensionalen Strömungsgeschwindigkeitsfeldes unter Einsatz der Particle Image Velocimetry (PIV) durchgeführt. Um die in der DNS dargestellte zeitliche Entwicklung der Turbulenzstrukturen experimentell verifizieren zu können, wurde anschließend ein System zum mehrfachen Nachweis einer erzeugten Stickstoffmonoxid-Linie aufgebaut. Experimente zum doppelten Nachweis einer Linienstruktur ermöglichen einen Vergleich der zeitlichen Entwicklung der Linienstruktur zwischen Experiment und Simulation. Die zeitliche Entwicklung selbst kleinskaliger Strukturänderungen lässt sich mit dem aufgebauten System erfolgreich nachweisen. Das Verfahren ermöglicht außerdem die Bestimmung der Dicke der Geschwindigkeitsgrenzschicht, d.h. des Bereiches der größten Geschwindigkeitsänderung zwischen Wand und turbulenter Pfropfenströmung in der Kanalmitte. Aus dem beobachteten Transport der Linie in dieser Geschwindigkeitsgrenzschicht wurde die Verteilung der Strömungsgeschwindigkeiten in Abhängigkeit vom Wandabstand bestimmt. Parallel dazu wurden unterschiedliche Verfahren zur inhomogenen Strömungsdotierung mit molekularen Tracern angewandt. Die Verfahren ermöglichen zum einen, ausschließlich die Grenzschicht mit Naphthalin und Stickstoffmonoxid zu markieren und zum anderen eine Wolke aus Stickstoffmonoxid-Molekülen in der turbulenten Strömung zu verfolgen. Durch die in der Strömung entstehenden Konzentrationsgradienten erlauben diese Verfahren jeweils die Identifizierung der reibungsbestimmten Grenzschicht direkt an der Wand, eine Visualisierung des diffusiven Spezies-Transportes durch diese Grenzschicht hindurch und eine Visualisierung des turbulenten Spezies-Transportes aus dieser Grenzschicht in die turbulente Strömung hinein.

Translation of abstract (English)

For the purpose of this thesis a flow channel was constructed to investigate a statistic stationary turbulent flow. The channel consists of an investigation area of a length of 18 cm. In this area the ground plate can be exchanged easily to enable the investigation of different wall materials. To avoid the influence of a secondary flow the channel has a high aspect ratio (12). Therefore the flow velocity only depends on the distance above the ground plate. In this channel fully turbulent flows of air or nitrogen at Reynolds numbers between Re = 6000 and 155000 corresponding to mean centerline velocities of 18 and 47 m/s can be realized. A at the Physikalisch Chemisches Institut (University of Heidelberg) developed flow tagging technique based on the generation of a “line” of NO-molecules was used to investigate different turbulent flows. The technique was further developed to allow the generation of three parallel “lines” of NO-molecules. A detailed comparison of the experimental results with a direct numeric simulation (carried out at the Interdisziplinäres Zentrum für wissenschaftliches Rechnen, University of Heidelberg) shows a good agreement in the displacement of the generated “NO-line” and the large-scale deformations of the “NO-line” due to turbulence elements. Simultaneous experiments of “NO-line” tagging and particle image velocimetry (PIV) were performed to compare the artifical implemented turbulence in the direct numeric simulation (DNS) with the experimental turbulent flow. To verificate the temporal development of the “NO-lines” in the turbulent flow as shown in the results of the DNS the experimental setup was modified further on. The new setup allows subsequent detection of each individual flow situation after two variable delays. Even the temporal development of small-scale turbulent structures was observed successfully. The displacement of the “NO-lines” allows an estimation of the transport velocities dependant on the distance to the ground plate and therefore an estimation of the thickness of the velocity boundary layer. Besides, different techniques of inhomogeneous flow tagging were used. At first only the boundary layer of the turbulent flow was doped either with naphthalene or NO-molecules. Species transport from the seeded boundary layer into the turbulent main flow was observed and temporarily resolved. The second experiment was setup to observe species transport from the seeded main flow into the boundary layer. NO is added to the main flow through a pulsed nozzle leading to a steep NO-concentration gradient at the leading edge of the NO-cloud. The NO-cloud in the main flow has a higher transport velocity than the NO in the boundary layer. After a certain distance the main flow is in contact with an undoped boundary layer. Each experiment allows the determination of the laminar boundary layer and the visualization of species transport in and through the boundary layer.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Wolfrum, Prof. Dr. Jürgen
Date of thesis defense: 6 June 2003
Date Deposited: 30 Jul 2003 12:13
Date: 2003
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institute of Physical Chemistry
Subjects: 540 Chemistry and allied sciences
Controlled Keywords: Laserspektroskopie, Turbulente Strömung, Strömungskanal, Luftströmung, Laminare Grenzschicht, Stickstoffmonoxid
Uncontrolled Keywords: Laser induzierte Fluoreszenz , Strömungsmarkierunglaser induced fluorescence , flow tagging
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