Experimentella studier av laminära gränsskikt: instabilitet, omslag och kontroll
Tid: To 2024-12-19 kl 10.00
Plats: Kollegiesalen, Brinellvägen 8, Stockholm
Språk: Engelska
Ämnesområde: Teknisk mekanik
Respondent: André Weingärtner , Strömningsmekanik
Opponent: Prof. Edward White, The University of Texas at Dallas
Handledare: Prof. Jens H. M. Fransson, Strömningsmekanik; Prof. Ramis Örlü, Strömningsmekanik, Department of Mechanical, Electrical and Chemical Engineering, OsloMet – Oslo Metropolitan University
QC241204
Abstract
Omslaget från laminär till turbulent strömning i gränsskikt är en central process inom strömningsmekaniken med betydande innebörd i tekniska tillämpningar. Typiska exempel på tillämpningar återfinns framför allt inom flygsektorn och inom olika energisystem där omslaget har en stor inverkan på både friktionsmotstånd och värmeöverföring. Gränsskikt och dess omslag till turbulens har varit ett aktivt forskningsområde i över 100 år och därmed har betydande framsteg gjorts för den fysikaliska förståelsen av denna process. Idag vet vi exempelvis att omslaget kan ta olika vägar till ett turbulent tillstånd, men trots många insikter kvarstår betydande utmaningar. Denna avhandling syftar till att belysa några aspekter på omslaget i gränsskikt och dess kontroll.
Vi presenterar en serie experimentella studier med fokus på instabiliteter, omslag och kontroll av laminära gränsskikt. I allmänhet kan man säga att turbulens föregås av flödesinstabiliteter och därför fokuserar vi inledningsvis på tre kända störningar. Vid låg bakgrundstörning domineras omslaget av två-dimensionella vågor, även kallade Tollmien-Schlichting vågor. Om nivån av bakgrundsstörningen ökar kommer omslaget i stället att domineras av tillväxten av hög- och låghastighetsstråk i strömningsriktningen. Den tredje typen av flödesinstabilitet som undersöks här är de strukturer som utvecklas bakom ett isolerat ytråhetselement i gränsskiktet.
Om instabiliteterna i flödet växer över en kritisk amplitud kommer störningarna att initiera omslaget till turbulens. Avhandlingen handlar till stor del om hur friströmsturbulens (hög bakgrundsstörning) påverkar omslaget i gränsskikt. Trots de många tillämpningar som finns, som exempelvis turbomaskiner, så är det fortfarande svårt att förutspå var omslaget sker på idealiserade geometrier. I detta avhandlingsarbete har vi bland annat undersökt effekter som kan påverka denna typ av omslag och som tidigare har förbisetts. Vidare studeras de fenomen som inträffar under omslagsprocessen, såsom uppkomst och utveckling av turbulenta fläckar.
Slutligen utforskar vi passiva kontrollmetoder för att senarelägga omslaget till turbulens. Detta inkluderar att bedöma genomförbarheten av etablerade tekniker för användning i verkliga tillämpningar. Här har virvelgeneratorer för flödeskontroll designats med målet att senarelägga omslaget till turbulens på en flygplanskropp. Dessutom har nya tillvägagångssätt undersökts för att senarelägga omslaget, där den destabiliserande effekten av virvelgeneratorerna i sig har minimerats. Detta kan potentiellt leda till förbättrad kontroll och fördröjning av omslaget.