Umströmung von Zylindern mit abschnittsweiser, leeseitiger, poröser Ummantelung

Diese Arbeit befasst sich mit der Reduktion derWiderstandskraft sowie der Strömungsfeldanalyse
von Kreiszylindern mit einer leeseitigen, porösen Beschichtung.
Hierfür werden Versuche im Windkanal durchgeführt. Systematische
Kraftmessungen erfolgen für diverse Zylinderkonfigurationen. Unterschiedliche
Parameter wie die Schichtstärke, der Ummantelungswinkel und die Porosität
des porösen Materials werden dabei variiert. Ausgewählte Zylindervarianten
werden zudem mittels Druckmessungen und der Particle Image Velocimetry
(PIV) detaillierter untersucht. Die Versuche werden im Reynoldszahlbereich
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3 x 10^4 < Re < 1, 4 x 10^5 durchgeführt.
Die Ergebnisse zeigen, dass eine dünne, leeseitig im Kreiszylinder integrierte
oder auf dem Zylinder aufgebrachte poröse Schicht zu einem Anstieg des
Drucks bzw. zur Verringerung des Unterdrucks im Leebereich führt. Die Folge
davon ist eine reduzierteWiderstandskraft im Vergleich mit einem glatten
Kreiszylinder gleichen Durchmessers. Es zeigt sich zudem, dass eine leeseitige
poröse Beschichtung des Zylinders zu einer Reduktion der Amplituden
von böeninduzierten und Wirbelresonanzschwingungen führt. Im betrachteten
Reynoldszahlbereich sind die Verläufe des mittlerenWiderstandsbeiwerts (cd-
Wert) nahezu konstant und die maximale Widerstandsreduktion beträgt 13,2 %.
Die Ursache des reduzierten cd-Werts der leeseitig porös ummantelten Zylinder
ist eine weiter nach stromab verschobeneWirbelbildungszone, weshalb es zu
einer Abnahme der Druckschwankungen an der Zylinderrückseite kommt. Verantwortlich
für die vergrößerteWirbelformationszone ist die Störung, bzw. das
Nichtzustandekommen des Mechanismus des Hoch- und Herunterlaufens des
Primärwirbels an der Leeseite des porös ummantelten Zylinders. Des Weiteren
kann eine verringerte Nachlaufbreite sowie eine dünnere Scherschicht im Vergleich
mit dem glatten Zylinder identifiziert werden. Es zeigt sich ferner dass
eine leeseitige, poröse Ummantelung zu einer leicht erhöhtenWirbelablösefrequenz
führt.

This work describes the effect of drag reduction and the flow field analysis of
circular cylinders with a porous coating on their leeward sides. To investigate
the coating effect, experiments were conducted in a wind tunnel of Goettingen
type. Systematic drag measurements were carried out for different cylinder configurations
with varying key parameters (coating angles, layer thicknesses and
pore sizes of the porous material) and flow velocities. The drag measurements
were complemented by pressure and particle image velocimetry (PIV) flow field
measurements around selected cylinders. ... mehrThe Reynolds numbers were varied in
the subcritical range of 3 x 10^4 < Re < 1, 4 x 10^5.
The results show that a thin porous layer on the leeward side, either incorporated
in the cylinder shape or applied on the cylinder surface, leads to an increase
of base pressure on the leeward side of the cylinder. It causes a reduction of
drag and dampens the amplitude of gust and vortex induced vibrations when
compared to a cylinder without coating. The results clearly indicate the dragreducing
and amplitude-damping potential of leeward coating. The amount
of drag reduction and amplitude damping depends on the combination of key
parameters. It is demonstrated that the lowered drag coefficients cd are almost
constant in the tested range of Reynolds numbers. A maximum reduction of
drag of 13.2 % is measured. The results reveal a strong reduction of the pressure
fluctuations around cylinders with a leeward coating due to the shift of the
vortex region further downstream. This downstream shift is caused by the
failure to establish the up-and-down mechanism of the primary vortex on the
leeward side of the porous coated cylinder. In addition the width of the near
wake is decreased and thinner shear layers as well as increased vortex shedding
frequencies can be determined.