Transition

Willkommen bei der
Arbeitsgruppe Transition und Turbulenz


Leitung: Dr.-Ing. Markus J. Kloker

Der Übergang von der laminaren (schichtenartigen, ruhigen) in die turbulente (unruhige, vermischende) Strömungsform stellt ein zentrales Problem der Strömungsmechanik dar. Diese Transition tritt bei Scherströmungen auf, also dann, wenn sich in einem strömenden Medium der Geschwindigkeitsbetrag quer zur (Haupt-)Geschwindigkeitsrichtung stark ändert. Scherströmungen sind allgegenwärtig in Natur und Technik; eine spezielle Klasse bilden die wandbegrenzten Scherströmungen, die durch die Interaktion einer Wand mit einer wandparallelen Strömung verursacht werden. An jedem um- oder durchströmten Körper bildet sich direkt an der Körperoberfläche eine sogenannte Grenzschicht aus, innerhalb der sich die Geschwindigkeit des strömenden Mediums aufgrund Reibung an die Geschwindigkeit der Körperoberfläche angleicht. Diese Grenzschicht verursacht im laminaren Zustand einen erheblich geringeren Reibungswiderstand als im turbulenten Zustand; auch die Aufheizung der Körperoberfläche bei sehr hohen Differenzgeschwindigkeiten ist bei laminarer Grenzschicht geringer als bei turbulenter. In der Aerodynamik wird die aerodynamische Leistungsfähigkeit und der Treibstoffverbrauch von Flugzeugen von der Lage und dem Verhalten der laminar-turbulenten Transition vor allem an den Tragflügeln entscheidend beeinflusst; für eine Voraussage der Lage oder eine Kontrolle der Transition, meistens zum Zweck der Widerstandsverringerung, ist ein elementares Verständnis der ablaufenden Strömungsvorgänge, die eine Folge des Anwachsens instabiler Störungen meist wellenartiger Natur sind, unerlässlich.

Mittels direkter numerischer Simulationen (DNS) mit hochgenauen räumlichen Finite-Differenzen Verfahren wird die Ausbreitung von Störungen in instabilen laminaren Strömungen bis zur Ausbildung der Turbulenz untersucht. Neben der Untersuchung der Transition selbst spielen dabei in jüngerer Zeit zunehmend Projekte zur Störungsannahme der Scherströmung (Rezeptivität) und zur passiven und aktiven Kontrolle der Störungen eine größere Rolle. Hauptsächlich werden wandgebundene Scherschichtströmungen wie Grenzschichten betrachtet. Durch sehr effiziente Verfahren sind inzwischen auch räumliche Simulationen der sich nach dem Umschlag entwickelnden Turbulenz möglich. "Räumlich" bedeutet, dass die Simulationen in einem sich räumlich stromab erstreckenden Integrationsgebiet durchgeführt werden, entsprechend kontrollierten Transitions-/Turbulenzexperimenten in Wind- oder Wasserkanälen oder im Freiflug. Beim teilweise heute noch in anderen Gruppen verwendeten, vereinfachten zeitlichen Modell wird Periodizität in Strömungsrichtung angenommen, was zwar eine effektive Diskretisierung mit Fourier-Methoden erlaubt bei unproblematischer Ausströmrandbedingung, aber zu einer völlig künstlichen zeitlichen Entwicklung der erzwungenen räumlich periodischen Strömung führt.

Es werden verschiedene Programmversionen zur Untersuchung von inkompressiblen 2-D- und 3-D-Wandgrenzschichten, inkompressiblen Nachlaufströmungen, kompressiblen Grenzschichten und Scherschichten im Unter- und Überschall verwendet. Für vergleichende experimentelle Untersuchungen des Grenzschichtumschlags steht der Laminarwasserkanal, der Laminarwindkanal und der Stoßwindkanal des Institutes zur Verfügung.

Für zuverlässige direkte numerische Simulationen hoher Genauigkeit sind absolute Höchstleistungsrechner erforderlich. Am Bundes-Höchstleistungsrechenzentrum in Stuttgart (HLRS) ist hierfür das milliardenschwere (in flop/s) Projekt LAMTUR eingetragen.