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Institut für Aerodynamik und Gasdynamik

Laminarwasserkanal

Der Laminarwasserkanal ist eine Versuchsanlage zur experimentellen Untersuchung von Strömungsphänomenen in laminaren Grenzschichten.

Laminarwasserkanal mit Heißfilmmesstechnik und Traversierung (c)
Laminarwasserkanal mit Heißfilmmesstechnik und Traversierung

Der Laminarwasserkanal am Institut für Aerodynamik und Gasdynamik ist eine Versuchsanlage zur experimentellen Untersuchung von Strömungsphänomenen in laminaren Grenzschichten. Seit seiner Fertigstellung im Jahre 1987 ermöglicht der Kanal diverse Forschungprojekte, aus denen bereits zahlreiche relevante Abschluss- und Doktorarbeiten hervorgingen.

Besonders nennenswert sind hierzu Untersuchungen von Störungseinflüssen, laminaren Ablöseblasen und Wandrauigkeiten in der Grenzschicht.

Trotz stetig wachsender Bedeutung von numerischen Simulationen (CFD) bleiben Beobachtungen aus einem physikalischen Experiment weiterhin unerlässlich. Im Gegensatz zu Windkanälen werden bei Verwendung von Wasser als Strömungsmedium deutlich größere Längen- und Zeitskalen erreicht, die eine schärfere räumliche und zeitliche Auflösung ermöglichen. Diese verbessern die Aussagekraft quantitativer Messtechniken wie Particle Image Velocimetry, Laser-Doppler- oder Heißfilm-Anemometer, welche im Kanal zum Einsatz kommen. Darüber hinaus bietet Wasser einzigartige Möglichkeiten zur Visualisierung, zum Beispiel durch Wasserstoffbläschen, Tellur oder Farbe.

Rauigkeitselemente aus der aktuellen Forschung (c)
Rauigkeitselemente aus der aktuellen Forschung

Rauigkeitselemente aus der aktuellen Forschung

Im aktuellen Forschungsprojekt, welches durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft ermöglicht wurde, soll der Einfluss isolierter Rauigkeitselemente auf die Stabilität laminarer Grenzschichten und deren Umschlag zur Turbulenz untersucht werden. Diese Untersuchungen sollen Rückschlüsse auf den bisher nicht eindeutig definierten Begriff der kritischen Rauigkeits-Reynoldszahl geben.

Die Technik des Laminarwasserkanals

Schematische Zeichnung Laminarwasserkanal (c)
Schematische Zeichnung Laminarwasserkanal
  • Bauart
    Göttinger-Art (Umlaufkanal) aus Fiberglas
    Sandwich-Kontruktion

  • Geschwindigkeitsbereich
    0,05 – 0,2 m/s

  • Turbulenzgrad
    0,05 % (0,1 - 10 Hz)

  • Medium
    Wasser (30m 3)

  • Kontraktion
    7,7:1 (bei freier Wasseroberfläche)

  • Strömungsberuhigung
    -  2 Wabengleichrichter am Diffusoreintritt
    - 10-fach Textilsieb, geschränkt
    - 2 weitere Textilsiebe
    - Präzessionssieb aus Edelstahl-Einzeldrähten (Durchmesser 0,1 mm)

  • Mechanische Isolierung
    - Luftbalg-Lagerung zum Fundament
    - Gummimanschetten zum Antrieb
    - Treibriemen zum Motor

  • Thermische Isolierung
    - Kellerraum mit Wärmedämmung
    - Temperaturregulierte Luftzuführung
    - Temperaturstabilität besser 0,05°C am Tag

  • Messstrecke
    - 10 m (L) x 1,2 m (B) x 0,15 m (H)
    - freie Wasseroberfläche
    - ebene Platte als Boden (neue Grenzschicht!)

Forschung

Die Frage, warum Strömungen ab einer bestimmten kritischen Reynoldszahl ihren Zustand von laminar zu turbulent wechseln, beschäftigt Strömungsmechaniker bereits seit über einem Jahrhundert. Eine wesentliche Rolle in diesem Fachgebiet spielt die lineare Stabilitätstheorie, die Instabilitäten auf der Grundlage von Eigenwerten vorhersagt. Die dreidimensionale lineare Stabilitätstheorie, kurz 3-D globale LST, ist ein neues theoretisches Werkzeug, welches insbesondere in komplizierten 3-D Strömungen wie z.B. hinter einem Oberflächenrauigkeitselement eingesetzt werden kann.

Um die Vorhersagen der 3-D globalen LST zu überprüfen, wurde die einzigartige Versuchsanlage Laminarwasserkanal mit moderner Messtechnik und Strömungsvisualisierungsmethoden ausgestattet. So werden variable Rauigkeitselemente aus Edelstahl eingesetzt, um die physikalischen Effekte einer Rauigkeit in der Blasius Grenzschicht zu bestimmen und mit den Ergebnissen der 3-D globalen LST zu vergleichen. Interessanterweise ergeben sich dabei große Ähnlichkeiten, aber auch bedeutsame Unterschiede, die sich stark auf praktische Anwendungen auswirken können.

Für industrielle Anwendungen werden zum Beispiel bestimmte Toleranzen gefordert, um die Oberflächenqualität aus aerodynamischer Sicht zu gewährleisten. Inwiefern diese Toleranzen aus der 3-D globalen LST bestimmt werden können, war bis zu diesen Experimenten unbekannt. Den Beitrag zum aktuellen Stand der Forschung ist den Veröffentlichungen in der Rubrik „Publikationen“ zu entnehmen. Auch in Zukunft sind wertvolle Ergebnisse zu diesem oder anderen Themen aus der Grenzschichtforschung zu erwarten.

  • PUCKERT, D. K. & RIST, U. 2018 Experiments on critical Reynolds number and global instability in roughness-induced laminar-turbulent transition. J. Fluid Mech. vol. 844, pp. 878-904.
  • PUCKERT, D. K. & RIST, U. 2018 Global instability in a laminar boundary layer perturbed by an isolated roughness element. Exp. Fluids 59:48.
  • BUCCI, M. A., PUCKERT, D. K., ANDRIANO, C., LOISEAU, J.-C., CHERUBINI, S., ROBINET, J.-C. & RIST, U. 2018 Roughness-induced transition by quasi-resonance of a varicose global mode. J. Fluid. Mech. vol. 836, pp. 167-191.
  • PUCKERT, D. K., DIETERLE, M. & RIST, U. 2017 Reduction of freestream turbulence at low velocities. Exp. Fluids 58:45.
  • PUCKERT, D. K. & RIST, U. 2016 Transition downstream of an isolated cylindrical roughness element on a flat plate boundary layer. In New Results in Numerical and Experimental Fluid Mechanics XI (ed. Dillmann, G. Heller, E. Krämer, R. Radespiel & C. Wagner), Springer.
  • OST, J., MÄTELING, E., KLEIN, C., PUCKERT, D. & RIST, U. 2016 Reattaching Flow Behind a Square Bump Investigated with Temperature Sensitive Paint In New Results in Numerical and Experimental Fluid Mechanics XI (ed. Dillmann, G. Heller, E. Krämer, R. Radespiel & C. Wagner), Springer.
  • PUCKERT, D., SUBASI, A., RIST, U. & GUNES, H. 2015 Experimental investigations of critical roughness heights in a laminar boundary layer. In The 13th International Symposium on Fluid Control, Measurement and Visualization, FLUCOME2015, Doha, Qatar.
  • SUBASI, A., PUCKERT, D., GUNES, H. & RIST, U. 2015 Calibration of constant temperature anemometry with hot-film probes for low speed laminar water channel flows. In The 13th International Symposium on Fluid Control, Measurement and Visualization, FLUCOME2015, Doha, Qatar.
  • SHIN, Y.-s., RIST, U. & KRÄMER, E. 2015 Stability of the laminar boundary-layer flow behind a roughness element. Fluids 56, 11.

                                                    

Kontakt

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Dipl.-Ing.

Dominik Puckert

Akademischer Mitarbeiter Arbeitsgruppe Grenzschichten / Ansprechpartner Versuchsanlage Wasserkanal