Numerische Untersuchung einer Düsenströmung mit Schiebewinkel

5 Zusammenfassung
Dreidimensionale Strömung an einem Düsenende wurde mithilfe der DNS untersucht. Die meisten
früheren Forschungen beschränkten sich auf zweidimensionale Strömungen.
Die Anfangsbedingung sind hier eine dreidimensionale Grenzschicht oberhalb und eine zweidimensio-
nale Grenzschicht unterhalb einer ebenen Platte, die das Düsenende modelliert. Durch die Interakti-
on zwischen den beiden Grenzschichten hinter der Platte entwickelt sich eine Kombination aus freier
Scherschicht und Nachlauf. Aufgrund von Wendepunkten im Geschwindigkeitsprofil, führen kleine
Störungen zur Entwicklung Wirbelstrukturen in der Scherschicht.
Die dreidimensionale Anfangsbedingung wurde erzeugt, indem man das zweidimensionalen Grenz-
schichtsprofil der oberen Grenzschicht um die y-Achse mit dem Winkel φ1 = 0,8 drehte. Diese
getroffene Annahme für die Erzeugung einer schiebenden Plattengrenzschicht wurde bestätigt durch
den Vergleich der obengenannten einfachen Grenzschichtlösung und der Navier-Stockes Lösung aus
dem DNS Code.
Durch die Stabilitätsuntersuchung mithilfe der LST wurde festgestellt, dass bei dreidimensionalen
Grenzschichten, die am stärksten angefachten Störwellen in der selben Richtung wie die Potential-
strömung sich ausbreiten. Außerdem sind dreidimensioanle Strömungen stabiler als zweidimensinale
strömungen. Die zeitliche Anfachungsrate nimmt mit zunehmendem Schiebewinkel ab. Die Abnahme
verläuft linear mit der Kosinus des Winkels φ1 sowohl in der Grenzschicht als auch in der Scher-
schicht.
Aufgrund des Wendepunkts werden dreidimensionale kleine Störungen in der Scherschchit stärker
angefacht als in der Grenzschicht.
Durch diese dreidimensionale Störwellen werden große Wirbelstrukturen um die y-Achse mit dem
Ausbreitungswinkel gedreht und sind nicht mehr gleichmässig entlang der z-Achse. Außerdem erzeu-
gen sie Längswirbel, die zum Zusammenbrechen stromabwärts der Kelvin-Helmholz-Wirbel führen.
Die Amplitude diese Störwellen wächst gemäß der linearen Stabilitätstheorie zuerst exponentiell.
Wenn die Störungen gesättigt werden, rollt die Scherschicht auf. Stromabwärts findet die erste Wir-
belpaarung statt. Aufgrund der größen Anfachungsraten im Nachlauf hinter der ebenen Platte nimmt
die Amplitude der Störungen zu, was zu nichtlinearität führt, die ein großes Spektrum von Störungen
erzeugt. Damit wird das Strömungsfeld nicht mehr vorhersagbar wie dies der Fall bei der störfreien
Strömung.
Aus diesem Grund ist der abgestrahlte Schall nicht mehr tonal sondern breitbandig.
Noch zu untersuchen sind andere dreidimensinale Strömungskonfigurationen. Es könnte auch der
Einfluß des Machzahlverhältniss auf das Stabilitätsverhalten der Scherschicht untersucht werden.
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