On Turbulent Swirling Jets: Vortex Breakdown, Coherent Structures, and their Control

Diese Arbeit umfasst die experimentelle und theoretische Untersuchung der Entstehung großskaliger kohärenter Strukturen in turbulenten Drallstrahlen. Die untersuchte Strö-mungskonfiguration zeichnet sich durch eine hohe Komplexität aufgrund gleichzeitig auftretender axialer und azimutaler Scherschichten aus. Darüber hinaus tritt ab einer gewissen Drallintensität ein Phänomen auf, was zu einer abrupten Änderung der gesamten Strömung führt. Durch das sogenannte Aufplatzen des Wirbelkerns (vortex breakdown) entsteht eine Rückströmblase auf der Strahlachse wodurch sich eine innere und eine äußere Scherschicht manifestiert. Die Analyse und Kontrolle dieser komplexen Strömungskonfiguration stellt allgemein eine große Herausforderung für die Grundlagenforschung dar und ist darüber hinaus von großem Nutzen für die Optimierung drallstabilisierter Verbrennung in Gasturbinen. Die Arbeit ist im Wesentlichen in vier Untersuchungen unterteilt. Im ersten Teil werden die verschiedenen Strömungszustände bei ansteigender Drall charakterisiert. Dieser rein experimentelle Teil gibt einen Überblick über die wesentlichen Strömungsphänomene, mit dem Augenmerk auf das Aufplatzen des Wirbels und das damit verbundene Einsetzen einer globalen Instabilität. Die Experimente zeigen, dass eine globale Oszillation dann einsetzt, wenn die Rückstromblase eine kritische Größe erreicht hat. Das diesem Vorgang vorangehende Einsetzen des Wirbelaufplatzens wird anhand stehender Wellen im Wirbelkern erklärt. Die zweite Untersuchung geht detailliert auf die Charakteristik räumlich anwachsender kohärenter Strukturen im global stabilen Drallstrahl ein. Die hydrodynamischen Instabilitäten, welche die Entstehung dieser Strukturen antreiben, werden mittels räumlicher Stabilitätsanalyse systematisch untersucht. Es wird gezeigt, dass trotz des Einsetzens einer Zentrifugalinstabilität mit ansteigendem Drall, die Kelvin--Helmholtz-Instabilität dominiert. Jedoch beeinflusst der Drall die Phasengeschwindigkeit der helikalen Instabilitätsmoden und erhöht dabei die Dispersivität der Scherschicht. Außerdem sorgt zunehmender Drall für eine Destabilisierung stehender Moden, was dazu führen kann, dass die mittlere Strömung ihre Axialsymmetrie verliert. Diese Ergebnisse werden durch Experimente des harmonisch und des gepulst angeregten Strahls bestätigt. Im dritten Teil dieser Arbeit werden die kohärenten Strukturen der globalen Mode untersucht. Basierend auf der proper orthogonal decomposition, wird die phasengemittelte Geschwindigkeit bezüglich der globalen Oszillationsfrequenz aus zeitlich unkorrelierten Daten extrahiert. Die resultierenden kohärenten Strukturen werden mit der globalen Eigenmode verglichen, die mittels räumlicher Stabilitätsanalyse berechnet werden kann. Die globale Mode zeichnet sich durch einen präzedierenden Wirbelkern (precessing vortex core) stromauf der Rückstromblase aus, der als der Taktgeber ('wavemaker') interpretiert wird. Von dort wird die Oszillation auf die gesamte Strömung aufgeprägt, was zu einem synchronen Anwachsen helikaler Strukturen in der äußeren Scherschicht führt. Die vierte Untersuchung geht auf die Kontrolle der globalen Stabilitätsmode mittels sinusförmiger Anregung ein. Aus den Ergebnissen der ersten drei Untersuchungen lässt sich eine Kontrolltechnik ableiten, die bei geringer Anregungsamplitude größtmögliche Wirkung erzielt. Die Anregung konvektiv instabiler Moden am Düsenaustritt führt dabei zu einer Änderung des mittleren Strömungsfeldes und zu einer Unterdrückung der Rückkopplung in Strahlinneren, was zu einer Dämpfung des präzedierenden Wirbelkerns führt.

Author dc:creator

• Oberleithner, Kilian

Advisor dc:contributor.advisor

• Paschereit, Christian Oliver

Licence dc:rights.uri

• http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/

Language dc:language.iso

en, English

Identifier URI

urn:nbn:de:kobv:83-opus-35933
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3266

OAI identifier oai:identifier

oai:depositonce.tu-berlin.de:11303/3563