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Das gleichmäßige Ausblasen ist eine effektive Methode zur Beeinflussung einer turbulenten Grenzschicht, nämlich zur Reduzierung des Reibungswiderstands einer umströmten Wandoberfläche. In der vorliegenden Arbeit wurde turbulente Grenzschicht an einer ebenen Platte hinsichtlich ihrer Beeinflussbarkeit mittels gleichmäßigem kontinuierlichen Mikro-Ausblasen in einer Strömung ohne Druckgradient untersucht. Die durchgeführte Untersuchung umfasst das Strömungsverhalten in einer viskosen Unterschicht über einer durchlässigen Wand ohne und mit Ausblasen, der Einfluss der Ausblasrate und der Temperatur der ausgeblasenen Luft auf die Grenzschichtparameter sowie eine Visualisierung und qualitative Analyse des Temperaturfeldes der Oberfläche der durchlässigen Wand ohne und mit Ausblasen unter verschiedenen Bedingungen. Die Untersuchung wurde in einem geschlossenen Unterschall Windkanal für einen Reynoldszahlen-Bereich von 1x10³ < Reₓ < 1x10⁶ und für eine Ausblasrate von 0 < F < 0.0173 durchgeführt. Die Ermittlung der Profile der Strömungsgeschwindigkeit im wandnahen Bereich sowie des Einflusses der Ausblasrate und der Temperatur der ausblasenden Luft auf die Parameter der Grenzschicht wurde mit Hilfe des noninvasiven Laser Doppler- und bei einzelnen Experimenten mit Hilfe des hochauflösenden Konstant Temperatur Anemometrie-Verfahrens durchgeführt. Zur Untersuchung des Temperaturfeldes sowie dessen Änderung wurde ein Thermografiesystem auf Basis einer Infrarot-Kamera eingesetzt. Die ermittelten Profile der Strömungsgeschwindigkeit u(x,z) und besonders v(x,z) haben gezeigt, dass das Ausblasen durch eine durchlässige Wand, die gleichmäßig verteilte Mikro-Öffnungen enthält, als ein „Ensemble“ einzelner Freistrahlen zu betrachten ist. Im Fall einer Unterschallströmung darf diese Art des Ausblasens nur grob als ein gleichmäßiges Ausblasen angenommen werden. Mit Hilfe des gleichmäßigen Ausblasen wurde der Reibungsbeiwert im Bereich Reynoldszahlen Reₓ < 1x10⁶ im Vergleich zur festen Wand um bis zu 59 % reduziert. Dabei wurde festgestellt, dass der Reibungsbeiwert bzw. die Wandschubspannung einer durchlässigen Wand mit Ausblasen von der Ausblasrate abhängt und deren Reduzierung nur bis zu einem bestimmten Wert der Ausblasrate stattfindet. Durch das Ausblasen der Luft verschiedener Temperatur wurde es gezeigt, dass auf die Eigenschaften der turbulenten Grenzschicht über einer durchlässigen Wand neben dem Ausblasen selbst, die Temperatur des ausblasenden Mediums auch eine wichtige Rolle spielt. Je nach dem, welche Temperatur das ausblasende Fluid besitzt, wird der Reibungsbeiwert reduziert oder erhöht. Mittels einer Visualisierung des Temperaturfeldes der Oberfläche der durchlässigen Wand mit Ausblasen wurde eine indirekte Visualisierung der Wirkung der äußeren Strömung auf die umströmte Wand realisiert. Da sich eine äußere Strömung in Wandnähe eine Grenzschicht bildet, kann diese Visualisierung als eine Visualisierung der Wirkung des Ausblasens auf die Grenzschicht betrachtet werden. Der Vergleich des Temperaturfelds der Oberfläche der durchlässigen Wand ohne Ausblasen in einer äußeren Strömung mit derjenigen mit Ausblasen hat gezeigt, dass die Wirkung der äußeren Strömung auf die umströmte Wand durch das Ausblasen nicht direkt am Anfang des Ausblasbereichs, sondern in einem Abstand davon voll verhindert wird. Infolge Wechselwirkung zwischen äußerer Strömung und dem Ausblasen, bildet sich über dem Ausblasbereich eine Zwischenschicht bzw. eine Dämpferschicht, die einen Energieaustausch zwischen der äußeren Strömung und der Oberfläche durchlässiger Wand blockiert. Diese Zwischenschicht bildet sich nicht sofort am Anfang des Ausblasbereichs, sondern über einer Strecke, deren Länge von der Ausblasrate abhängt. Uniform blowing is an effective methodology affecting turbulent boundary layer flows for the sake of reducing the wall skin friction. The present dissertation explores the turbulent boundary layer along a flat plate in regard to its controllability by means of a uniform and continuous microblowing in a flow under zero pressure gradient. The investigation encloses the flow behaviour in a viscous sublayer above a permeable wall without and with blowing. The influence of the blowing rate and the temperature of the blowing air on the parameters of the boundary layer were investigated. Flow visualisation and qualitative analysis of the temperature field of the permeable wall surface without and with blowing under various flow conditions were carried out as well. The investigation was carried out in a closed-return subsonic wind tunnel for a Reynolds number range of 1x10³ < Reₓ < 1x10⁶ and for a blowing ratio of 0 < F < 0.0173, where Reₓ is based on the free stream velocity, the streamwise distance (x) and fluid kinematic viscosity (v). The effects of flow velocity distribution in the wall proximity as well as the blowing rate and the temperature of the blowing air on the parameters of the boundary layer were carried out utilizing the non-invasive Laser Doppler Anemometer (LDA) and a high-resolution Constant Temperature Hot-Wire Anemometer (CTA). In order to examine the temperature field as well as its variation, a thermographic system was used on the basis of an infrared camera. The measured profiles of the flow velocity; u(x,z) and particularly v(x,z) showed that the blowing trough a permeable wall, the uniformly distributed micro-holes can be described as an "ensemble" of single free flow beam. For subsonic flow, this kind of blowing description may be accepted roughly as a uniform blowing. Uniform blowing reduces the wall skin friction up to 59 % in comparison to the solid wall for Reₓ < 1x10⁶. It was found that the skin friction or the wall shear stress of a permeable wall with blowing depends on the blowing rate and the wall skin reduction takes place only for a certain working range of the blowing ratio. Through blowing air having different temperatures it was shown that the temperature of the blowing medium plays an important role on properties of the turbulent boundary layer along a permeable wall surface. Depending on the temperature of the blowing fluid, the skin friction coefficient is either to be reduced or increased. By visualizing the temperature field of the permeable wall surface with blowing its effect on the external flow along the wall was indirectly achieved. This visualisation can be considered as a visualisation mean for the blowing effect on the boundary layer flow in wall proximity. The comparison of the temperature field of the permeable wall surface without blowing in an external flow versus with blowing has shown that the effect of the external flow on the wall was not observable at the blowing area, however after certain downstream distance from blowing. As a result of the interaction between the external flow and the blowing, an overlap layer was being formed which blocks the energy exchange between the external flow and the surface of the permeable wall. This overlap layer arises not immediately at the beginning of the blowing area, but rather at a distance that depends on the blowing ratio. |
