Experimentelle und numerische Untersuchung von Interferenzeffekten bei Zylinderumströmungen:
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| Format: | Abschlussarbeit Buch |
| Sprache: | German |
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Aachen
Shaker Verlag
2016
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| Schriftenreihe: | Berichte aus der Strömungstechnik
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KURZFASSUNG
ABSTRACT
NOMENKLATUR
1 EINLEITUNG
1.1 INHALT UND AUFBAU DER
ARBEIT...........................................................................................
1
2 THEORETISCHE GRUNDLAGEN UND EINORDNUNG IN DIE
LITERATUR
2.1
GRENZSCHICHT.....................................................................................................................3
2.1.1 SCHERSCHICHT UND HYDRODYNAMISCHE STABILITAETSTHEORIE
.................................................
4
2.2 WIRBELNACHLAUF EINES KREISFOERMIGEN
ZYLINDERS............................................................. 6
2.3
WIRBELABLOESEMECHANISMUS..............................................................................................7
2.4 VISUALISIERUNG MITTELS
Q-KRITERIUM................................................................................
8
2.5 STROUHAL-ZAHL UND
ABLOESEWINKEL....................................................................................
9
2.6 KRAEFTE AUF EINEN UMSTROEMTEN
ZYLINDER..........................................................................
10
2.7 TURBULENZGRAD UND
OBERFLAECHENRAUHIGKEIT...................................................................11
2.8 KORRELATIONSLAENGE (ENGL, *CORRELATION LENGTH*)
............................................................
13
2.9 AEROAKUSTISCHE SCHALLENTSTEHUNG
.................................................................................
15
2.9.1 AKUSTISCHE EFFEKTE DURCH
NACHLAUFKOERPER....................................................................16
2.9.2 PHASENBEDINGUNG EINER AKUSTISCHEN RESONANZ BZW. EINER GLOBALEN
INSTABILITAET
.....
18
2.10
ENDPLATTEN.......................................................................................................................
19
2.11 STROEMUNGSINDUZIERTE SCHWINGUNGEN
............................................................................
19
2.11.1 ALLGEMEINE SCHWINGUNGSGLEICHUNG IN DER
MECHANIK.................................................19
2.11.2 HYDRODYNAMISCHE
MASSE...............................................................................................22
2.11.3
MASSEN VERHAELTNIS
...........................................................................................................
23
2.11.4
LOCK-IN............................................................................................................................
23
2.11.5
ABLOESEMUSTER..................................................................................................................27
2.11.6
GALLOPING........................................................................................................................
33
2.12
INTERFERENZEFFEKTE...........................................................................................................
36
2.12.1 STATISCHE
UNTERSUCHUNGEN.............................................................................................
37
2.12.2 DYNAMISCHE
UNTERSUCHUNGEN.......................................................................................
41
2.12.3 ZUSAMMENFASSUNG INTERFERENZEFFEKTE
..........................................................................
48
3 UNTERSUCHUNG DER AEROAKUSTIK
3.1 LEISER
FREISTRAHL............................................................................................................
49
3.2 DESIGN OF EXPERIMENTS (D OE
)......................................................................................
53
3.2.1 AUSWAHL DES
VERSUCHSPLANES.......................................................................................
54
3.3
VERSUCHSAUFBAU..............................................................................................................
58
3.3.1
DOE-EINFLUSSGROESSEN......................................................................................................59
3.3.2 AUFBAU DES
ZYLINDERS.....................................................................................................60
3.4 VORVERSUCHE BZGL. DER
DOE-EINFLUSSFAKTOREN.............................................................60
3.4.1 EINFLUSSGROESSE:
TURBULENZGRAD......................................................................................
61
3.4.2 EINFLUSSGROESSE:
PLATTENLAENGE..........................................................................................
67
3.4.3 EINFLUSSGROESSE:
PLATTENDICKE..........................................................................................
68
3.4.4 EINFLUSSGROESSE:
PLATTENVERSATZ........................................................................................
70
3.4.5 EINFLUSSGROESSE: STROEMUNGSGESCHWINDIGKEIT /
REYNOLDS-ZAHL......................................70
3.4.6 WAHL DER
VERSUCHSRAUMGRENZEN..................................................................................
70
3.4.7 UEBERFUEHRUNG IN DIMENSIONSLOSE
PARAMETER..................................................................
71
3.5 MESS- UND V
ERFAHREINSTELLUNGEN..................................................................................
72
3.6
ZIELGROESSEN.......................................................................................................................73
3.6.1
REFERENZMESSUNGEN.......................................................................................................
77
3.7
VERSUCHSERGEBNISSE........................................................................................................
79
3.7.1 ZIELGROESSE (,
G/D)SDV
,
M A X
...........................................................................................
81
3.7.2 ZIELGROESSE
LP_A(G
/
D)SDV, M A X
..................................................................................
84
3.7.3 ZIELGROESSE (
F_W AF)DIM
................................................................................................87
3.7.4
ZIELGROESSENREGRESSIONSFUNKTIONEN.................................................................................90
3.8 V
ALIDIERUNGSMESSUNGEN.................................................................................................91
3.8.1 V ALIDIERUNG INNERER V
ERSUCHSRAUM...............................................................................92
3.8.2 VALIDIERUNG AEUSSERER VERSUCHSRAUM (EXTREMWERTE)
....................................................
93
3.9 ERWEITERUNG DES VERSUCHSRAUMS UM DEN ZYLINDERDURCHMESSER
................................
96
3.9.1
SCHALLDRUCKREFERENZMESSUNG........................................................................................
97
3.9.2 ERGEBNISANALYSE DER
VERSUCHSRAUMERWEITERUNG........................................................
100
3.10
DISKUSSION...................................................................................................
101
3.11 LANGZEITMESSUNG UND
WELLENLAENGENHYPOTHESE.........................................................
105
3.11.1 EINFLUSS DER PLATTENVERSCHIEBUNG AUF DEN SCHALLDRUCKPEGEL
....................................
106
3.11.2 GLOBALE
INSTABILITAET........................................................................................................109
3.11.3 DIREKTE BESTIMMUNG DER WIRBELKONVEKTIONSGESCHWINDIGKEIT
.................................
111
3.11.4
DISKUSSION.....................................................................................................................
120
3.12
HYSTERESE-EFFEKT...........................................................................................................121
3.12.1 TRANSIENTE STROEMUNGSSIMULATIONEN MIT BEWEGTEM N
ETZ...........................................121
3.12.2
DISKUSSION.....................................................................................................................
124
4 UNTERSUCHUNG DER AERODYNAMIK
4.1
WINDKANAL.....................................................................................................................
126
4.2 STARRER
ZYLINDER.............................................................................................................127
4.2.1 PARTICLE IMAGE VELOCIMETRY
(PIV)..............................................................................
127
4.2.2 VERSUCHSAUFBAU - STARRER
ZYLINDER..............................................................................
128
4.2.3 DEFINITION DES ABLOESEPUNKTES UND DES
ABLOESEWINKELS..............................................129
4.2.4
VERSUCHSERGEBNISSE......................................................................................................
130
4.3 DER ELASTISCH GELAGERTE
ZYLINDER..................................................................................135
4.3.1 SYSTEMAUSLEGUNG ZUR REALISIERUNG DES LOCK-IN E
FFEKTS...........................................135
4.3.2 DYNAMISCHER V
ERSUCHSAUFBAU......................................................................................137
4.3.3
BESCHLEUNIGUNGSMESSUNG............................................................................................
139
4.3.4
PHASENUNTERSUCHUNG....................................................................................................
139
4.3.5
VERSUCHSERGEBNISSE......................................................................................................
140
4.4 DISKUSSION
AERODYNAMIK.............................................................................................
149
5 NUMERISCHE HAUPTUNTERSUCHUNG
5.1 STROEMUNGSMECHANISCHE
GRUNDLAGEN..........................................................................
152
5.2
FINITE-VOLUMEN-METHODE............................................................................................
152
5.3
TURBULENZMODELLIERUNG................................................................................................
153
5.4 NETZERSTELLUNG UND
SETUP.............................................................................................
153
5.4.1 ALLGEMEINE
NETZKRITERIEN.............................................................................................
154
5.5 VALIDIERUNG DER
SIMULATIONSERGEBNISSE......................................................................156
5.5.1
STROUHAL-ZAHL................................................................................................................
156
5.5.2
ZEITSCHRITTWEITENANALYSE..............................................................................................
159
5.5.3 AUFTRIEBSBEIWERT 2 D
....................................................................................................
159
5.5.4 STATISCHES
NETZ..............................................................................................................
160
5.5.5 FLUID-STRUKTUR-INTERAKTION (FSI)
.................................................................................
163
5.5.6 DYNAMISCHES N
ETZ........................................................................................................164
5.6 ERGEBNISSE DER STATISCHEN
BETRACHTUNG.......................................................................167
5.6.1
ABLOESEWINKEL................................................................................................................167
5.6.2
AUFTRIEBSBEIWERT.........................................................................................................
171
5.6.3
ABLOESEFREQUENZ...........................................................................................................
172
5.6.4 VISUELLE ANALYSE MITTELS
Q-KRITERIUM........................................................................172
5.6.5 ASYMMETRIE DER
AUFTRIEBSKRAEFTE.................................................................................
174
5.7 ERGEBNISSE DER DYNAMISCHEN BETRACHTUNG
.................................................................
176
5.7.1 VALIDIERUNG DES EXPERIMENTS NACH
FENG....................................................................176
5.7.2 NUMERISCHE UNTERSUCHUNG DES WIRBELABLOESEMUSTERS
...............................................
180
5.7.3 NUMERISCHE UNTERSUCHUNG EINER
ZYLINDER/QUADER-KONFIGURATION...........................184
5.8 DISKUSSION N UM
ERIK...................................................................................................
194
6 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK
6.1
AUSBLICK........................................................................................................................205
6.1.1 UEBERTRAGUNG DER ERGEBNISSE AUF DAS
ENERGY HARVESTING
IN WASSER
........................
205
6.1.2
DOE-ANALYSE................................................................................................................206
6.1.3 NUMERISCHE
UNTERSUCHUNGEN.....................................................................................
207
6.1.4
SUPERRESONANZ..............................................................................................................208
7 ANHANG
7.1 BEGRIFFE UND DEFINITIONEN DES
DOE-VERFAHRENS.......................................................
210
7.2 DAS AUTOMATISCHE TRAVERSIERSYSTEM
..........................................................................
213
7.3
DOE-VERSUCHSPLAN.......................................................................................................214
7.4 DOMINANZ DER TONALITAET AUF
LP(A)..............................................................................215
7.5 VALIDITAET VON
LP(A) FUER
{G/ D)SDV,
START
................................................................. 216
7.6
DOE-VERSUCHSERGEBNISSE............................................................................................
218
7.7 ZIELGROESSENAUSWERTUNG - ZUSATZ -
................................................................................219
7.7.1 ZIELGROESSE
(G/D)SD V,
START
.......................................................................................
219
7.7.2 ZIELGROESSE
A(G / D) START, MAX
.....................................................................................
221
7.7.3 ZIELGROESSE (
P_A)DIM
....................................................................................................222
7.8
DOE-REGRESSIONSKOEFFIZIENTEN...................................................................................
223
7.9 VERGLEICH DES 2P
WIRBELABLOESEMUSTERS.....................................................................
224
8 LITERATURVERZEICHNIS
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