Ruby, MariusMariusRuby2026-03-042026-03-042025https://dspace.ub.uni-siegen.de/handle/ubsi/9036Eine aktive Strömungsbeeinflussung wird angewandt um den turbulenten Reibungswiderstand zu reduzieren. Die Methode basiert auf einer stehenden räumlichen Welle transversaler Geschwindigkeit an der Wand. Aufgrund der verringerten Turbulenzintensität wird weniger Energie benötigt um den viskosen Reibungswiderstand zu überwinden. Der Fokus der Arbeit ist auf den Einfluss kompressibler Strömungsbedingungen auf die Effizienz der Widerstandsreduktion gerichtet. Eine Vielzahl an direkten numerischen Simulationen und Large-Eddy Simulationen von sub- und supersonischen Kanalströmungen mit globalen Machzahlen von Ma=0.3, 1.5 und 3.0 und Reynoldszahlen, basierend auf der Schubspannungsgeschwindigkeit, im Bereich von Re = 190 bis 2540 wurde durchgeführt. Kompressibilitätseffekte ergeben sich in supersonischer Kanalströmung vorwiegend durch die starke Variation der mittleren Dichte und Temperatur und den hohen Wärmeübergang der gekühlten Wände. Es zeigt sich dadurch eine erhöhte Anistropie der turbulenten Spannungen, vergrößerte Längenskalen in der viskosen Unterschicht und eine stärkere Kohärenz der wandnahen Wirbelstrukturen. Die Terme der Druckscherkorrelation und der Dissipation in Spannweitenrichtung erfahren gegenüber vergleichbaren inkompressiblen Strömungen eine starke Reduktion, welche in besonderem Maße auch bei den beeinflussten Strömungen beobachtet wird. Gegenüber inkompressibler Strömung ist eine höhere Widerstandsreduktion möglich bei einer vergrößerten optimalen Wellenlänge der Beeinflussung. Eine höhere Machzahl fördert diese Effekte durch noch größere Gradienten der mittleren thermischen Größen. Eine steigende Reynoldszahl, basierend auf der mittleren Geschwindigkeit, mildert dagegen die Effekte durch die Abnahme des Wandwärmeübergangs und den damit verbundenen Wandkühlungseffekten. Im zweiten Teil dieser Arbeit werden Kühlterme eingeführt, um die äußeren Strömungsbedingungen einer Grenzschicht zu imitieren, bzw. um die Variation der mittleren thermischen Größen komplett zu eliminieren. Wandkühlungs- und intrinsische Kompressibilitätseffekte können so besser isoliert werden. Die Ergebnisse weisen auf eine große Bedeutung intrinsischer Kompressibilitätseffekte hin, die sich ebenfalls in einer erhöhten Effizienz der Beeinflussung in supersonischer Strömung äußern. Als Anwendungsbeispiel für die Methode wird im dritten Teil eine Rohr-Freistrahl-Kombination betrachtet, bei der die turbulente, subsonischen Rohrströmung beeinflusst wird. Hier liegt der Fokus auf der Entwicklung des Freistrahls und dessen Manipulation durch die veränderten Rohrströmungsbedingungen. Die Ergebnisse zeigen keine direkte Einflussnahme des im Rohr generierten transversalen Geschwindigkeitsprofils auf den Freistrahl. Vielmehr führt die verringerte Turbulenzintensität am Rohrauslass zu einer veränderten Entwicklung des Freistrahls gegenüber dem unbeeinflussten Fall. Die Scherschicht des Freistrahls entwickelt sich mit höheren turbulenten Intensitäten durch verstärkte Instabilitäten. Wird die maximale transversale Geschwindigkeit der Beeinflussung direkt am Auslass positioniert, relativieren sich die Effekte. Folglich kann ein Freistrahl mit ähnlichen Eigenschaften wie im unbeeinflussten Fall generiert werden, jedoch mit erheblich geringerem Energieaufwand.An active flow control method is used with the aim of friction drag reduction. The method utilizes streamwise oscillation of spanwise velocity at the wall. Owing to reduced turbulence intensity, less energy is required to drive the flow against viscous resistance. The key question is how compressibility affects the drag reduction results. A huge dataset of different flow cases with carefully selected parameter combinations has been created to reliably extract the influence of important flow parameters on the flow behavior. Direct numerical simulations and large eddy simulations of subsonic and supersonic channel flow were run with Mach numbers based on the mean velocity of Ma = 0.3, 1.5 and 3.0 and Reynolds numbers Re based on the friction velocity in the range of 190 up to 2540. Mean property effects are predominant in supersonic channel flow through large variations of the mean density and temperature and wall cooling. Consequences are a higher Reynolds stress anisotropy, increased length scales in the viscous sublayer flow and enhanced streak stability. The pressure-strain correlation and spanwise dissipation terms undergo a strong attenuation compared to the incompressible counterparts, especially in the controlled flows. Higher drag reduction and a larger optimum control wavelength are observed compared to the corresponding incompressible flows. Increasing the Mach number enhances these effects due to stronger mean property variations. A mitigation of near-wall compressibility effects occurs with an increase of the bulk Reynolds number, though, which attenuates the drag reduction benefits in the controlled flow as well. In the second part of this work, cooling terms were introduced in the Navier-Stokes equations to mimic the wall-normal temperature profile of an external boundary layer flow and to minimize variable property effects within the complete channel, respectively. This approach allows for a better isolation of intrinsic compressibility effects and wall cooling effects. The cooling strategies highlight the importance of intrinsic compressibility effects, which contribute to an increased control efficiency, too. As a potential case of application for the flow control method, a jet flow emanating from a round pipe is considered in the third part of this work. The turbulent subsonic pipe flow is manipulated by the transverse wall velocity and the focus is on the impact on the jet development. No direct interference of the streanwise oscillation pattern of transverse velocity within the pipe and the jet region is detected. However, the lowered turbulence intensity at the pipe exit noticeably affects the jet flow development, independent of how the reduction is achieved. The shear layer of the controlled jet flow develops with higher turbulence intensities associated with intensified Kelvin-Helmholtz instabilities. The effects can be relativized if the maximum transverse velocity is located directly at the pipe exit. Consequently, a jet with similar characteristics to the uncontrolled one can be generated with the advantage of a substantially lowered energy expenditure.de620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete TätigkeitenStrömungsbeeinflussungFlow controlKompressible KanalströmungFreistrahlCompressible channel flowJetDoctoral ThesisHolger Foysiurn:nbn:de:hbz:467-90362