Betrachtung der Turbulenzanisotropie durch Invariantenanalyse

Anisotropy-invariant map, [2]

Hintergrund:
Um die Anisotropie von Turbulenzen zu quantifizieren, führten Lumley und Newman [1] den Anisotropie-Tensor aij und seine Skalarinvarianten IIa und IIIa ein. Durch den Auftrag der Invarianten IIa über IIIa, kann der Bereich sämtlicher physikalisch möglicher Turbulenzzustände in einer Anistropiekarte dargestellt werden (vgl. Beitragsbild). Der linke und der rechte Arm der Karte repräsentieren den Zustand achssymmetrischer Turbulenz, der obere Arm stellt die Grenze der Zwei-Komponenten-Turbulenz dar. Die Eckpunkte werden bei komplett isotroper Turbulenz (Punkt (0,0)), sowie isotroper Zwei-Komponenten-Turbulenz (linker Eckpunkt) und reiner Ein-Komponenten-Turbulenz (rechter oberer Eckpunkt) erreicht. Sämtliche weiteren, realistischen Zustände liegen stets zwischen diesen Grenzfällen, wie von Lumley [3] gezeigt.

Mithilfe dieser Darstellung können mit sehr einfachen Mitteln verschiedene turbulente Strömungszustände miteinander verglichen und bewertet werden. Im Rahmen dieser Arbeit soll die Methodik für die turbulente Strömung zwischen zwei Platten angewandt werden, für welche es in der Literatur bereits ausreichend Validierungsdaten gibt (vgl. z.B. [4,5]). Weitere Fälle, wie die turbulent überströmte Platte sowie eine beheizte Platte können – je nach Umfang der Arbeit – hinzugenommen werden. Je nach Umfang der Arbeit können für die Auswertung bereits vorhandene Datensätze verwendet werden (Bachelorarbeit, Projektarbeit) oder eigene Simulationen erstellt werden (Masterarbeit, Diplomarbeit).

Aufgabenstellung:

  • Theoretische Einarbeitung in das Feld der Turbulenzanisotropie
  • Verständnisaufbau der grundlegenden Mathematik (Niveau: Bachelor)
  • Einarbeitung in die Grundlagen der Turbulenzcharakterisierung
  • Umsetzung der Berechnung des Anisotropie-Tensors sowie seiner Invarianten als allgemeinen Workflow
  • Anwendung des Workflows auf ausgewählte Datensätze
  • Ggf. Erstellung eigener Simulationen und Anwendung des Workflows auf die Erstellten Daten
  • Auswertung, Interpretation und Einordnung der Resultate in den wissenschaftlichen Kontext (Abgleich mit Literatur)
  • Vollständige Dokumentation der Arbeit

Vorkenntnisse und Voraussetzungen:

  • Grundkenntnisse im Bereich Strömungsmechanik sind vorausgesetzt (Niveau: Bachelor)
  • Eine selbstständige, strukturierte Arbeitsweise ist vorausgesetzt
  • Erfahrungen im Bereich der Strömungsnumerik sind wünschenswert
  • Erfahrungen im Bereich der Turbulenzmodellierung sind wünschenswert

Weitere Infos auf Anfrage, der Arbeitsumfang kann entsprechend der Arbeit angepasst werden.

Das bietet die Arbeit dem/der StudentIn:

Das Thema klingt zunächst komplex, jedoch handelt es sich um ein sehr gut zu verstehendes und mathematisch nicht allzu anspruchsvolles Themengebiet. Aufgrund der hervorragenden Dokumentation von Prof. J. Jovanovic ist eine Einarbeitung schnell möglich und der Erkenntnis- und Verständnisgewinn für die Phänomene in turbulenten Strömungen sind außerordentlich hoch. Zusätzlich wird ein wissenschaftlicher Einblick in eine spannende Thematik gewährleistet, wobei die Möglichkeiten zur wissenschaftlichen Publikation der Ergebnisse als sehr gut einzuschätzen sind. Hierbei unterstützt der Betreuer selbstverständlich gerne.

Bitte senden Sie Ihre vollständigen Unterlagen (inklusive Lebenslauf und aktuellem Notenspiegel sowie Angabe von Studiengang, Fachsemester und Art der gewünschten Arbeit) an julian.prass@faps.fau.de

[1] Lumley, J.L., and Newman, G., 1977: The Return to Isotropy of Homogeneous Turbulence, J. of Fluid Mechanics, vol.82, pp. 161–178.
[2] Frohnapfel, B., Lammers, P., Jovanovic, J., and Durst, F., 2007: Interpretation of the mechanism associated with turbulent drag reduction in terms of anisotropy invariants, J. of Fluid Mechanics, vol.577, pp. 457-466.
[3] Lumley, J.L., 1978: Computational Modeling of Turbulent Flows, Advances in Applied Mechanics, vol.18, pp. 123–176.
[4] Moser, R.D., Kim, J., and Mansour, N.N., 1999, Direct numerical simulation of turbulent channel flow up to Re τ=590, Physics of Fluids, vol. 11, pp. 943-945.
[5] Lee, M., and Moser, R.D., 2015: Direct numerical simulation of turbulent channel flow up to Re τ≈5200, J. of Fluid Mechanics, vol.774, pp. 395-415.

Kategorien:

Fachbereich:

Hausautomatisierung

Art der Arbeit:

Bachelorarbeit, Diplomarbeit, Masterarbeit, Projektarbeit

Studiengang:

Energietechnik, Informatik, IPEM, Maschinenbau, Mechatronik

Technologiefeld:

Planung und Simulation, Software Engineering

Kontakt: