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Fluidphysik

Experimentelle Untersuchung turbulenter Grenzschichtströmungen

Die experimentellen Arbeiten sind eng mit dem Atmosphärischen Windkanal verbunden, der von Prof. Lutz Römer entworfen und Anfang der 80 Jahre am Institut in Betrieb genommen wurde.

Schwerpunkt der experimentellen Arbeiten ist die Untersuchung der Turbulenzstruktur sowie des turbulenten Transports von gasförmigen Stoffen in dichtegeschichteten Gleichdruckgrenzschichten, aber auch die gezielte Beeinflussung turbulenter Strömungen.  Im  einzelnen  werden  folgende  Problem-  und Aufgabenstellungen bearbeitet:
 
     - Erzeugung von voll entwickelten, stabil und instabil geschichteten,
       turbulenten  Gleichdruckgrenzschichten  größtmöglicher  Dicke  im
       Windkanal
     - Ermittlung  der Grenzen für die ähnlichkeitsgetreue Simulation des
       bodennahen  Bereichs  von dichtegeschichteten Atmosphärenströ-
       mungen im Windkanal durch Vergleich der strömungsmechanischen
       Charakteristika von im  Windkanal  erzeugten  dichtegeschichteten
       Grenzschichten mit denjenigen der Atmosphärenströmung
     - Untersuchung des Einflusses von Dichteschichtung und Bodenrauhig-
       keit sowie von einfachen Störkörpern (Würfel, Quader, Bodenwelle)
       auf die  Turbulenzstruktur und den turbulenten Transport von gas-
       förmigen Stoffen in Gleichdruckgrenzschichten mittels Ausbreitungs-
       experimenten

 

 

 

 

Experimentelle Untersuchungen zur Wirkungsweise gepulster Aktuatoren für die Beeinflussung turbulenter Grenzschichten mit positiven Druckgradienten

Durch dieses experimentelle Vorhaben wird systematisch untersucht werden, unter welchen Bedingungen bei flugrelevanten Reynoldszahlen und Druckgradienten eine effiziente Beeinflussung turbulenter Grenzschichten mit dynamischen Aktuatoren erreicht werden kann. Ein ebenes Plattenexperiment mit einer Reynoldszahl Re bis 20000 und einem induzierten Druckgradienten bis zur Ablösung dient als Versuchsträger.
Im Rahmen des Projektes wird insbesondere der Einfluss der Geometrie und Orientierung dynamischer Aktuatoren auf den Impulsgewinn in unmittelbarer Wandnähe turbulenter Plattengrenzschichten in Abhängigkeit von der Frequenz, Duty-Cycle und Ausblasverhältnis untersucht und die Topologie der generierten Strömungsstrukturen analysiert. Es wird erwartet, dass die grundlegenden strömungsmechanischen Erkenntnisse Aufschluss über die Möglichkeiten und Grenzen dieser Technologie für die aktive Strömungsbeeinflussung bei hohen Reynoldszahlen liefern. Ferner wird davon ausgegangen, dass die detaillierte topologische Analyse der dynamischen Strömungsvorgänge in der Praxis einen Beitrag zur Auslegungsstrategie und Effizienzsteigerung der dynamischen Aktuatoren für spezielle Strömungsprozesse ermöglicht.
 
 
 
Gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen einer Einzelförderung im Normalverfahren

 

 

Bearbeiter: Dr.-Ing. Jens Ortmanns. 


 

 

 

Experimentelle Untersuchungen zur Fluid/Wand Wechsel-wirkung, sowie zum Verständnis von Instabilitäten bei der Extrusionsströmung von flüssigen Polyäthylenen

Das Institut für Strömungsmechanik beschäftigt sich seit 2001 intensiv mit der Entwicklung neuartiger Verarbeitungs-Hilfsmittel („Polymer Processing Additives“, PPAs). Eingesetzt wird dazu ein Kolbenextruder der Fa. Loomis mit einem Vorlagekanal (Durchmesser/Länge) von 60/200 mm und Stahl- bzw. Glasdüsen mit Dimensionen 6/32. Der Extrusionsdruck wird vor der Düse mit einem Druckaufnehmer gemessen, die mittlere Geschwindigkeit des Extrudats wird aus der Stempelgeschwindigkeit berechnet. Dabei treten schon bei kleinen Extrusionsgeschwindigkeiten erste Sharkskin-Effekte auf, die rasch zu einer immer raueren Oberfläche des Extrudats bei zunehmender Extrusionsgeschwindigkeit führen. Beschichtet man die Düse dagegen mit einem vernetzten Silikon-Elastomer, so verschiebt sich das Auftreten von Schmelzeinstabilitäten zu sehr viel höheren Extrusionsgeschwindigkeiten. Gleichzeitig reduziert sich der für gleichen Durchsatz erforderliche Extrusionsdruck, was auf Wandgleiten schließen lässt. Tatsächlich findet man durch stroposkopische Geschwindigkeitsmessung in der Glasdüse ein Geschwindigkeitsprofil, das eine signifikante Wandgleitgeschwindigkeit aufweist.
Diese ersten grundlegenden Versuche führten zu der Erkenntnis, dass zur Unterdrückung des Sharkskin-Effekts nicht notwendigerweise eine durch Zusatz von fluoriertem Polymer erzeugte Niedrigenergieoberfläche erforderlich ist, sondern dass Wandgleiten auch durch Beschichten der Extrusionsdüse mit Elastomeren hervorgerufen werden kann.
Da eine Beschichtung mit vernetztem Elastomer dem Abrasionsverschleiß unterliegt, lag es nahe, eine dynamische Beschichtung mit thermoplastischen Elastomeren auf der Basis von Siloxan (TPSE) oder Polyurethan (TPE-U) zu versuchen. Die beobachteten Effekte sind größer oder zumindest vergleichbar mit den Effekten, die man beim Einsatz der konventionellen PPAs “Viton“ oder “Dynamar“ findet.
Zur Klärung der Frage, ob sich die bisher mit einem Kolbenextruder und Vollsträngen gemachten Versuchsergebnisse auf die konventionelle Blasfolienextrusion übertragen lassen, wurden am Fachgebiet Polymertechnik der TU Berlin umfangreiche Blasfolienexperimente mit einer Laborblasfolienanlage (Schwabenthan) durchgeführt. Dabei konnten die an Vollsträngen gewonnenen Ergebnisse in vollem Umfang bestätigt werden. Der Zusatz des TPUEs führt zu einer vollständigen Unterdrückung des Sharkskin-Effekts bei gleichzeitiger signifikanter Reduzierung des Extrusionsdrucks.
Neuere Arbeiten zielen auf den Einsatz von Polyethylen-Glykolen als PPA’s, die in ersten Versuchen vielversprechende Ergebnisse gezeigt haben.
Die Experimente legen den Schluss nahe, dass die Elasztizität der Randschicht für die Unterdrückung der Strömungsinstabilitäten wesentich verantwortlich ist, ein Ergebnis das eventuell eine grundlegende Bedeutung für das Verständnis der Natur des Reibungsprozesses im Allgemeinen haben könnte.
 

 

Gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft

 

Partner: Institut für Polymertechnik/Polymerphysik,
             Technische Universität Berlin
 
 
 

Bearbeiter: Dr. Oleg Kulikov