Numerische Untersuchung einer Düsenströmung mit Schiebewinkel

Einleitung 4
Fiedler et al [4] haben eine Klassifizierung der dreidimensionalen freien Scherschicht mit gleichförmi-
gen und ungleichförmigen Außenströmung erstellt.
Die Experimentelle Untersuchungen von Gründel und Fiedler [6] haben sich auf eine Scherschicht
konzentriert, die zwischen freie Strömungen mit dem gleichen Geschwindigkeitsbetrag aber mit ei-
nem schiefen Winkel φ = ±15 bezogen auf der Achse der Ebene Platte auf tritt. Sie fanden, daß
Wirbeln in Strömungsrichtung nach der Hinterkante der Platte auf treten. Diese Wirbeln fusionieren
stromabwärts zu größeren Wirbeln und dadurch wird das Mischen in der Scherschicht gesteigert.
Friedler und Luo [9] haben das lineare und nicht lineare Stabilitätsverhalten von dreidimensionalen
Scherschichen zwischen dreidimensionalen Außenströmungen untersucht. Experimentelle und nume-
rische Studien haben auch hier gezeigt, daß solche Scherschichten die Mischung erhöhen. Die expe-
rimentellen Untersuchungen haben auch Besonderheiten bezüglich die Richtung und Festigkeit der
kohärenten Strukturen in solche Strömungen gezeigt, für dieses vor dieser Studie keine Erklärung gab.
Die verbesserte schwach nicht-lineare Stabilitätstheorie kann sehr gut die beobachtete Phenomene in
dieser Experimenten erklären.
In dieser Arbeit wird versucht durch die numerische Untersuchung einen besseren Einblick über solche
komplexe dreidimensionale Strömungen zu erhalten.
Zielsetzung
Dreidimensionale Scherschichten sind in der Natur keine Ausnahme, deshalb ist das grundlegen-
des Verständnis der hydrodynamischen instabilitäten in dreidimensionalen freie Schichschten eine
sehr wichtige Voraussetzung um Strategien für Strömungskontrolle zu entwickeln. Ziel dieser Arbeit
ist die Untersuchung des linearen Stabilitätsverhalten einer dreidimensionalen kompressiblen freien
Scherschicht, die durch die Interaktion zwischen der oberen und der unteren Grenzschicht an einem
Düsen Ende entsteht. Dafür wurde eine Direkte Numeriche Simulation (DNS) benutzt mittels des
Programms NS3D, das im IAG entwickelt wurde. Als erster Schritt wurde ein Programm, das die
zweidimensionale kompressible Grenzschichtsgleichungen löst, angepasst um dreidimensionale Grenz-
schicht, die im Hauptprogramm als Grundströmung benutz wird, zu berechnen. Diese Anfangsbedin-
gung stellt hierbei zwei dreidimensionale Grenzschichten mit unterschiedlichen Freistromgeschwin-
digkeiten ober- und unterhalb einer ebenen Platte ohne Druckgradient, die das Düsenende modelliert.
Durch den Vergleich der Grenzschichtlösung mit der Navier-Stokes Lösung aus dem DNS Code wird
überprüft, ob die getroffene Annahme für die Berechnung der dreidimensionalen Grenzschicht zutref-
fend sind. Das Modell der lineare Stabilitätstheorie wurde benutzt um das Stabilitätsverhalten der
Grenzschicht und der Scheschicht zu bestimmen. Mithilfe der Ergebnisse aus dieser Studie wurde in
NS3D Störungen eingeleitet um die Entwicklung der Grundstömung unter einer aüßeren Störung zu
untersuchen.