Themenbereiche

Die Forschung am Institut SLA ist in vier Themenbereiche/Forschungsgruppen gegliedert: Dynamik der Tropfen und Sprays, Modellierung und Simulation turbulenter Strömungen, Dynamik der Partikelströmungen sowie Strömungskontrolle und instationäre Aerodynamik.

Bild: SLA

Dynamik der Tropfen und Sprays

Strömungen in Tropfen und Sprays werden von Trägheitseffekten, Viskosität, Oberflächenspannung und Benetzbarkeit bestimmt. Wir untersuchen die Phänomene experimentell, theoretisch und mittels CFD-Codes.

Gruppenleitung

  Name Kontakt
Apl. Prof. Dr. Ilia Roisman
+49 6151 16-22173
L2|06 312

Die Forschungsaktivitäten der Gruppe umfassen experimentelle Untersuchungen, theoretische Analysen und CFD-Berechnungen von Strömungen in Tropfen und Sprays. Diese werden von Trägheitseffekten, Viskosität, Oberflächenspannung und Benetzbarkeit bestimmt. Zu den hauptsächlich untersuchten Phänomenen gehören:

Zerfallende, spritzende und zerstäubende Flüssigkeitstropfen

Bild: SLA
  • Kraftstoffeinspritzung
  • Spritzer beim Tropfenaufprall
  • Sekundärzerstäubung
  • Stabilitätsanalyse

Phänomene der Tropfenkollision

Bild: SLA
  • Tropfenaufprall auf trockene oder benetzte Wände
  • Kollisionen von Tropfen mit unterschiedlicher Zusammensetzung
  • Von aerodynamischen Kräften beeinflusste Phänomene in Tropfen, Filmen und Rivulets

Phänomene bei Wärmetransport und Phasenübergang

Bild: SLA
  • Sprühkühlung
  • Physik der Vereisung

Be- und Entnetzungsphänomene

Bild: SLA
  • Bewegung eines anhaftenden Flüssigkeitstropfens, -films und -randes
  • Ausbreitung von Rivulets in einer Ecke
  • Imbibierung von porösen Medien
Bild: SLA

Modellierung und Simulation turbulenter Strömungen

Die Gruppe hat umfassende Erfahrungen im Bereich der numerischen Simulation komplexer Strömungskonfigurationen, wie zahlreiche wissenschaftliche und anwendungsorientierte Projekten verdeutlichen.

Gruppenleitung

  Name Kontakt
Apl. Prof. Dr.-Ing. habil. Suad Jakirlic
+49 6151 16-22171
L2|06 413

Die Forschungsaktivitäten der Gruppe konzentrieren sich sowohl auf Simulationsmethoden (neuartige Turbulenzmodelle einschließlich eigener Entwicklungen) als auch auf die zu erfassende Strömungsstruktur. Relevante Fälle zeigen eine hohe Kompexität der strukturellen Strömungseigenschaften in Bezug auf unterschiedlich variierende Deformation.

Simulation methodology

Novel turbulence models of various types:

  • conventional RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) concept: the main focus is on the dynamics of the entire Reynolds stress tensor
  • eddy-resolving, hybrid RANS/LES (Large-Eddy Simulation) modeling strategy: zonal (RANS-based, wall-modeled LES) and seamless formulations
  • numerous own developments

Examples of treated flow configurations

  • transitional and fully-turbulent flows
  • flows subjected to different pressure gradients (deceleration → approaching separation and acceleration → approaching laminarization), separating and reattaching flows
  • flows subjected to varying temperature gradients; mixing under conditions of variable fluid properties
  • two-phase flows: gaseous/solid (particle transport, particle erosion) and gaseous/liquid (evaporation, bubbly flows)
  • swirling and tumbling flows, mean compression
  • flows over rough and porous walls
  • airplane (subsonic and transonic configurations) and car aerodynamics
  • active flow separation control by boundary layer forcing, plasma-actuated flow control
  • physiologically pulsating flow in blood vessels

Flow configurations computed by VLES (Very LES) and PANS (Partially-Averaged Navier- Stokes): natural decay of homogeneous isotropic turbulence (a, VLES and PANS), flow in a channel with rough walls (b, VLES), flow in a vortex pipe representing a cooling hole of a turbine blade (c, VLES and PANS), flow impingement onto a heated wall (d, VLES), flow in an IC-engine (e, VLES and PANS), flow past a rotating cylinder (f, VLES and PANS), thermal mixing in a T-junction (g, VLES), single car aerodynamics (h, VLES and PANS), overtaking manoeuver (i, PANS)

Flow configurations computed by the eddy-resolving URANS RSM (Reynolds-stress model): a) physiological flow in an aortic aneurysm model, b) flow past a tandem cylinder, c) separating flow in a channel with periodic axisymmetric constrictions, d) flow past a plunging aerofoil (also with plasmaactuated leading-edge-vortex manipulation), e) flow in a 3D diffuser, f) plasma-actuated (with 100% duty cycle) restructuring of the secondary motion in the inflow duct of the 3D diffuser (only one half of the duct is shown), g) far-field noise illustrated by the PSD of acoustic pressure in the tandem cylinder flow configuration and f) flow in a square cross-sectioned bubble column

Literatur

An illustration of our modeling activities based on the calculations of different flow configurations can be found in the following manuscript:

Jakirlić, S., Bopp, M., Chang, C.-Y., Köhler, F., Krumbein, B., Kutej, L., Kütemeier, D., Maden, I., Maduta, R., Ullrich, M., Wegt, S. and Tropea, C. (December 2019):
RANS-based Sub-scale Modelling in Eddy-resolving Simulation Methods. ERCOFTAC Bulletin, Vol. 121, pp. 5-18

Further relevant publications can be found under:

https://scholar.google.de/citations?user=SLRGW_IAAAAJ&hl=de

Bild: SLA

Dynamik teilchenbeladener Strömungen

In der Forschungsgruppe stehen laser-optische und bildgebende Verfahren zur Vermessung von Strömungen im Mittelpunkt.

Gruppenleitung

  Name Arbeitsgebiet(e) Kontakt
Prof. Dr.-Ing. Jeanette Hussong
Fachgebietsleiterin
Dynamik der Partikelströmungen, Strömungsmesstechnik
+49 6151 16-22174
L2|06 417

Die Forschungsaktivitäten der Gruppe umfassen die Anwendung und Kombination von laserbasierten Messtechniken, um die Wechselwirkung zwischen Partikeln und Strömung mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung zu erfassen. Unsere Schwerpunkte sind:

  • Migrations- und Segregationsdynamik von Mikropartikeln in Scherströmungen
  • Mehrdimensionale Fraktionierung von Mikropartikeln
  • Auflösungsverhalten von metallischen Partikeln in Drallströmungen
  • Erzwungene Be- und Entnetzung komplexer Fluide
  • Mischung, Transport und Ablagerung in dünnen Filmen
  • Interaktion von partikelbeladenen, turbulenten Strömungen mit Wänden
Bild: SLA

Strömungskontrolle und instationäre Aerodynamik

Anhand generischer Konfigurationen untersuchen wir Methoden zur Optimierung von Strömungen. Unsere Ergebnisse helfen z. B. aerodynamische Wechsebelastungen an Windturbinen zu verringern.

Gruppenleitung

  Name Arbeitsgebiet(e) Kontakt
Prof. Dr.-Ing. Jeanette Hussong
Fachgebietsleiterin
Dynamik der Partikelströmungen, Strömungsmesstechnik
+49 6151 16-22174
L2|06 417
Dr.-Ing. Johannes KissingStrömungskontrolle durch Plasmaaktuatoren, Instationäre Aerodynamik
+49 6151 16-22179
W1|05 6
Strömungsvisualisierung eines Vorderkantenwirbels mit Prüfnebel

Die Instationäre Aerodynamik befasst sich mit aerodynamischen Kräften auf umströmte Körper, wenn diese fluktuierende Anströmbedingungen erfahren. Die Fluktuationen können sowohl durch Schwankungen in den Anströmbedingungen an einem ruhenden Körper als auch aus einer Bewegung des Körpers in gleichförmiger Anströmung entstehen und resultieren in Schwankungen der aerodynamischen Lasten.

Böige Anströmbedingungen an Windkraftanlagen oder atmosphärische Turbulenzen an Flugzeugflügeln sind Beispiele in denen fluktuierende Anströmbedingungen zu instationären aerodynamischen Lasten und damit zu strukturellen Belastungen führen. Im Kontext des biologischen Vogelflugs, idealisiert durch einen bewegten Körper in gleichförmiger Anströmung, ermöglichen instationäre aerodynamische Effekte und im Speziellen der sogenannte Vorderkantenwirbel unerreichten Auftrieb und Manövrierfähigkeit.

PIV-Messung des Strömungsfelds an einer Flugzeugtragfläche

Der Forschungsschwerpunkt am Fachgebiet liegt auf der Erforschung von Möglichkeiten zur Vorhersage instationärer aerodynamischer Lasten mit Hilfe analytischer Übertragungsfunktionen sowie der Erforschung des Vorderkantenwirbels.

Hierbei werden unterschiedliche Versuchsaufbauten in Kombination mit verschiedenen Windkanälen genutzt. Dies ermöglicht die hochdynamische Bewegung von Flügelprofilen in Windkanälen und die Generierung böiger Anströmbedingungen. Ein breites Portfolio an Messtechniken wie zeitaufgelöste Particle Image Velocimetry, Laser Doppler Anemometrie, instationäre Druckmesstechnik und Hitzdrahtanemometrie erlaubt die messtechnische Erfassung instationärer Phänomene.

Numerische Strömungssimulationen ergänzen und erweitern die experimentelle Forschungsarbeit.

Auf der Basis eines tieferen Verständnisses von Böenlasten und des Vorderkantenwirbels wird an der aktiven und passiven Strömungskontrolle beider Phänomene geforscht. Hierbei werden die Möglichkeiten zur Mitigation von instationären aerodynamischen Böenlasten durch passive Wölbungsmechanismen von Flügelprofilen (Adaptive Camber Airfoil) zum Einsatz an Windkraftanlagen untersucht. Auch die Manipulation des Vorderkantenwirbels mittels dielektrischer Barriereentladungs-Plasmaaktuatoren zur Auftriebssteigerung im biologischen Schlagflug ist Gegenstand aktueller Forschung. Numerische Strömungssimulationen werden auch im Bereich instationärer Strömungskontrolle komplementär zu experimentellen Untersuchungen genutzt.