1,721,059 research outputs found
Zeitabhängige Laminare, transitionale und turbulente Rohrströmungen
Get PDFThis thesis summarises the author's research work carried out at the Institute of Fluid Mechanics of the Friedrich-Alexander Universiät Erlangen-Nüernberg (LSTM-Erlangen) during his time there as a researcher. The work deals with time dependent laminar, transitional, and turbulent pipe flows. Most investigations of pipe flows, available these days in the literature, are of steady state flow cases. The reason for this was found to lie in the fact that no suitable experimental equipment is available to reliably set up laminar, transitional, and turbulent flows that are time dependent. For this reason, a flow rate control system was set up, based on available developments at LSTM-Erlangen. The instrument provided the basis for all the experimental investigations described in this thesis. It was employed to study laminar pulsating flows where its features could be fully utilised to provide a mass flow rate in accordance with the input of an electronic signal. Hence, pulsations of different shapes with time could be set up and investigated. Numerous studies were carried out by the author and the results are summarised in this thesis.Diese Doktorarbeit umfasst die Forschungsarbeiten des Autors, die er während seiner Zeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Strömungsmechanik an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (LSTM-Erlangen) durchgeführt hat. Die Arbeit befasst sich mit zeitabhängigen laminaren, transitionalen und turbulenten Rohrströmungen. Die meisten Untersuchungen von Rohrströmungen, die in der Literatur zu finden sind, wurden in stationären Strömungen durchgeführt. Ein Grund hierfür liegt in der Tatsache, dass kein geeigneter Versuchsstand zur Verfügung stand, um verlässlich zeitabhängige laminare, transitionale und turbulente Durchflüsse zu erzeugen. Aus diesem Grunde wurde ein Durchflusskontrollsystem aufgebaut, das auf bereits vorhandenen Entwicklungen am LSTM-Erlangen basiert. Die Anlage bildete die Basis für all die experimentellen Untersuchungen, die in dieser Doktorarbeit beschrieben sind. Sie wurde eingesetzt, um laminare pulsierende Strömungen zu untersuchen, wobei ihre Eigenschaften genutzt werden konnten, um einen Massendurchfluss zu liefern, der dem Eingang eines elektronischen Signals entsprach. Folglich konnten Pulsationen verschiedener Zeitausprägung erzeugt und untersucht werden. Zahlreiche Studien an solchen Strömungen wurden vom Autor durchgeführt, und die Ergebnisse sind in dieser Doktorarbeit zusammengefasst
On the axisymmetry of annular jet instabilities
No full textWe implement a linear stability analysis for the viscous annular jet surrounded by
inviscid motionless gas subject to three-dimensional disturbances, and an analytical
dispersion relation is presented. With this relation, we are able to obtain evidence that
the axisymmetric mode is the most unstable mode of the system. The evidence for
general cases is based on the numerical results obtained by solving the transcendental
dispersion relation for a wide range of physical parameters. The results for two special
cases, a very thin annular jet and an annular jet with disturbances of very short axial
wavelength, are obtained from two rigorous analytical approaches
Erweiterte Navier-Stokes-Gleichungen : Ableitungen und Anwendungen auf Strömungsprobleme
Get PDFThe present thesis summarises the author’s research work, carried out under the supervision of Prof. Franz Durst, Professor Emeritus, University of Erlangen-Nürnberg, in the field of extended Navier-Stokes equations. Through some of the earlier collaborative work, the author realised that under certain flow situations, the description provided by the classical Navier-Stokes equations did not corroborate with the corresponding experimental measurements. This had puzzled the author and led to a closer look at the derivations of transport equations from the first principles. It was found out that the derivations of the classical equations had certain flaws when employed to solve gas flows with strong density/pressure and temperature gradients which resulted in additional diffusion mass fluxes. It was argued that this additional mass flux needed to be superimposed onto the convective mass fluxes treated in the classical Navier-Stokes equations. Further, it was also necessary to incorporate modified constitutive relationships of molecular transport of momentum and heat in the governing equations. Hence it may be argued that the classical Navier-Stokes equations are only valid when there are no density and temperature gradients in ideal gas flows. The present thesis commences with a summary of development of the classical Navier-Stokes equations based on the existing historical knowledge of fluid mechanics. A brief history of the development of the classical Navier-Stokes equations, consisting of the continuity, momentum and energy equations, are provided, however, taking most recent research efforts into account, providing a summary of the knowledge that existed when the author commenced his own derivations of the basic fluid flow equations in the presence of density and temperature gradients in ideal gas flows. These derivations resulted in a new set of equations, referred to as the extended Navier-Stokes equations. The equations, thus derived in this thesis, were compared with other extended forms of fluid flow equations based on completely different considerations for the causes of differences between the classical and extended equations. Subsequently, investigations were carried out for ideal gas flows through microchannels and capillaries employing the extended Navier-Stokes equations, derived in this thesis. The author’s initial work was on the numerical predictions of gas flows through microchannels and excellent agreement was obtained with the experimental measurements without invoking the Maxwell slip boundary condition at the solid walls. Based on the insight obtained from the numerical simulations, he finally also helped a group of researchers to derive a complete analytical solution to gas flows through microchannels and capillaries. Based on this analytical solution procedure, it is not only possible to obtain accurate description of the velocity distributions but also the pressure distribution along the micro-conduit. More importantly, a characteristic pressure was introduced based on the geometry and physical properties of the gas which was found to describe the characteristics of the flow accurately. Further, accurate numerical descriptions of microchannel flows with separation could also be provided based on the extended Navier-Stokes equations. A backward facing step flow was chosen as an example to demonstrate the usefulness of the extended equations in predicting gas flows with separation and excellent agreements were obtained with DSMC simulations. Subsequently, numerical predictions of gas flows subjected to strong temperature gradients were carried out and the prediction of one dimensional supersonic and hypersonic shock waves in a monoatomic gas was chosen to demonstrate the usefulness of the extended equations. Excellent agreement of computed shock structures with experimental measurements was attained. Comparisons of various shock parameters such as inverse density thickness, density asymmetry quotient and temperature – density separation, were also provided and the extended Navier-Stokes equations were found to perform satisfactorily. Further, the inadequacies of the classical and extended Navier-Stokes equations in predicting hypersonic shock waves were stated. Interestingly, as explained in this thesis, it was possible to provide physically meaningful explanations, employing the extended equations, to some of the unsolved problems such as thermophoresis and thermal transpiration. Further, it was evidently demonstrated that one needed to consider the extended equations even in certain large scale gas flow problems in order to obtain accurate and detailed description of flow and heat transfer characteristics. Finally, the possibilities of further research work, employing these powerful equations, were also identified.Die vorliegende Arbeit fasst die von Prof. Franz Durst, emeritierter Professor der Universität Erlangen-Nürnberg, betreute Forschungsarbeit des Autors im Bereich der erweiterten Navier-Stokes-Gleichungen zusammen. Im Rahmen einer früheren Zusammenarbeit erkannte der Autor, dass die Beschreibung durch die klassischen Navier-Stokes-Gleichungen unter bestimmten Strömungsbedingungen nicht durch die entsprechenden experimentellen Messergebnisse bestätigt wurde. Dies erstaunte den Autor und führte zu einer nähergehenden Betrachtung der Ableitungen der Transportgleichungen von dem ersten Prinzip. Der Autor stellte fest, dass sich die Ableitungen der klassischen Gleichungen als fehlerhaft erwiesen, wenn sie angewandt wurden, um Gasströmungen mit hohen Dichte-, Druck- und Temperaturgradienten, die zu zusätzlichen diffusiven Massenströmungen führten, zu lösen. Es wurde argumentiert, dass dieser zusätzliche Massenstrom den konvektiven Massenströmen, die in den klassischen Navier-Stokes Gleichungen behandelt wurden, hinzugefügt werden mussten. Außerdem war es auch erforderlich, die abgewandelten konstitutiven Beziehungen des Molekulartransports von Impuls und Wärme in die Gleichungen zu integrieren. Daher kann argumentiert werden, dass die klassischen Navier-Stokes-Gleichungen nur Gültigkeit besitzen, wenn es in idealen Gasströmungen keine Dichte- und Temperaturgradienten gibt. Die vorliegende Arbeit beginnt mit einer Zusammenfassung der Entwicklung der klassischen Navier-Stokes-Gleichungen, die auf dem bestehenden, historischen Wissen der Strömungsmechanik basiert. Ein kurzer geschichtlicher Abriss der Entwicklung der klassischen Navier-Stokes-Gleichungen, die die Kontinuitätsgleichung, die Impulsgleichung und die Energiegleichung umfassen, wird aufgezeigt. Dabei wird jedoch auf die jüngsten Forschungsentwicklungen eingegangen und der Wissensstand zu Beginn der eigenen Ableitungen der grundlegenden Strömungsgleichungen bei in idealen Gasströmungen vorkommenden Dichte- und Temperaturgradienten zusammengefasst. Diese Ableitungen führten zu einem neuen Gleichungssystem, auch als erweiterte Navier-Stokes Gleichungen bezeichnet. Die in dieser Arbeit abgeleiteten Gleichungen wurden mit anderen erweiterten Strömungsgleichungen verglichen, die auf völlig unterschiedlichen Betrachtungen beruhten, um Unterschiede zwischen den klassischen und den erweiterten Gleichungen festzustellen. Anschließend wurden unter Anwendung der erweiterten Navier-Stokes-Gleichungen, die in dieser Arbeit abgeleitet wurden, Untersuchungen von idealen Gasströmungen durch Mikrokanäle und Kapillare durchgeführt. Die erste Arbeit des Autors befasste sich mit numerischen Vorhersagen der Gasströmungen durch Mikrokanäle, und es wurde, ohne Bezug auf die Maxwell-Slip Randbedingung an den festen Wänden, eine hervorragende Übereinstimmung mit den experimentellen Messergebnissen erzielt. Basierend auf den Erkenntnissen aus den numerischen Simulationen half er schließlich auch einer Gruppe von Wissenschaftlern, eine vollständige, analytische Lösung der Gasströmungen durch Mikrokanäle und Kapillare abzuleiten. Aufgrund dieser analytischen Lösungsmethode ist es nicht nur möglich, eine genaue Beschreibung der Geschwindigkeitsverteilung, sondern auch der Druckverteilung innerhalb des Mikrokanals zu erhalten. Noch wichtiger ist, dass ein charakteristischer Druck, basierend auf Geometrie und physikalische Eigenschaften des Gases, bestimmt wurde, der die Eigenschaften der Strömung genau beschreibt. Außerdem konnten mit Hilfe der erweiterten Navier-Stokes-Gleichungen genaue numerische Beschreibungen der Strömungen durch Mikrokanäle mit Trennung zur Verfügung gestellt werden. Eine schrittweise rückwärts fließende Strömung wurde als Beispiel gewählt, um die Zweckmäßigkeit der erweiterten Gleichungen für die Vorhersage der Gasströmungen mit Trennung zu zeigen, und hervorragende Übereinstimmungen wurden mit DSMC-Simulationen erzielt. Nachfolgend wurden numerische Berechnungen für Gasströmungen ausgeführt, die sich durch hohe Temperaturgradienten auszeichnen. Die Berechnung eindimensionaler Überschall- und Hyperschallströmungen von Verdichtungsstößen wurden ausgewählt, um die Nützlichkeit der erweiterten Gleichungen zu demonstrieren. Hervorragende Übereinstimmung der berechneten Strukturen der Verdichtungsstöße mit experimentellen Ergebnissen wurde erhalten. Vergleiche verschiedenster Eigenschaften, wie die inverse Dicke der Dichteverteilung und deren Asymmetrie sowie die Temperatur-Dichte-Aufteilung, wurden durch die Berechnungen mit den erweiterten Navier-Stokes-Gleichungen gleichfalls bereitstellt. Eine gute Übereinstimmung mit Experimenten wurde erhalten. Es war interessant, und dies ist in der Dissertation erläutert, dass es gelang, unter Anwendung der Navier-Stokes-Gleichungen eine Reihe von ungelösten Problemen, wie Thermophorese und thermische Transpiration, physikalisch sinnvoll zu erklären. Weiter wurde evident demonstriert, dass man die erweiterten Gleichungen auch bei bestimmten Gasströmungsproblemen zur Anwendung bringen muss, die große geometrische Abmessungen besitzen. Ohne diese Gleichungen erhält man keine genauen und detaillierten Beschreibungen der Strömung und der Wärmeübertragung. Es wird ferner die Notwendigkeit herausgestellt, dass weitere Forschungsarbeiten notwendig sind, um die Möglichkeiten der erweiterten Navier-Stokes-Gleichungen herauszustellen
Turbulenzschliessungsmodell auf der Grundlage der linearen Anisotropie-Invariantenanalyse
No full textThe dissertation work focuses on the development of the complete second-order turbulence closure model, which is systematically derived from the Navier-Stokes equations. In the derivation of the closure model the author tries to avoid the large number of assumptions, which significantly decreases the theoretical reliability of the model. An alternative way for the representation of anisotropy characteristics of the Reynolds stress and other feasible turbulent second-order tensor quantities is proposed in this work. The major advantage of the introduced anisotropy eigenvalue space is a linear description of all limiting states of turbulence. The linear way of treatment of the anisotropy invariants also allows one to introduce a simple scheme for interpolation of all model parameters between the turbulence limiting states. This makes it possible to extend the class of turbulent flows, for which the second-order closure model can be successfully applied. On the one hand, it eliminates an empirical element and generalizes the modeling approach; on the other, it simplifies the algorithm description and reduces the model complexity. The numerical validation showed that the prediction performance of the proposed closure model is sufficiently high for all considered homogeneous flows.Der Schwerpunkt der Dissertationsarbeit liegt in der Entwicklung vom kompletten Zweiter-Ordnung-Turbulenzschliessungsmodells für inkompressible Strömungen, das von den Navier-Stokes Gleichungen direkt abgeleitet ist. In der Ableitung der Schließungsmodelle versucht der Verfasser eine große Anzahl der empirischen Annahmen zu vermeiden, welche einen bedeutenden Verlust der theoretischen Zuverlässigkeit des Modells nach sich ziehen können. Diese Arbeit stellt einen neuen alternativen Weg zur Darstellung der Reynolds-Spannungs-Anisotropie-Invarianten und der anderen möglichen Zweiter-Ordnungs-Tensoren vor. Der Hauptvorteil des eingeführten linearen Anisotropie-Eigenwertraums ist eine lineare Beschreibungsweise von allen Turbulenzzustandsgrenzen. Die Anwendung von der linearen Anisotropie-Invarianten erlaubt es, eine einfache Methode für die Interpolation aller Modellparameter zwischen den Turbulenzzustandsgrenzen einzuführen. Es führt auch zu einer Erweiterung der turbulenten Strömungstypen, für die das Zweite-Ordnung-Turbulenzschliessungsmodell mit gutem Erfolg angewandt werden kann. Zum einem beseitigt es den Empirismus und generalisiert das Modellierungsverfahren, zum anderen, vereinfacht es die Algorithmusbeschreibung und verringert die Modellkomplexität. Im Rahmen der Dissertationsarbeit wurden die Schließungsmodelle für Dissipation- und Druck-Scher-Korrelation-Tensor entwickelt, erprobt und ausführlich diskutiert. Die numerischen Validierungen ergaben, dass das vorgeschlagene Schließungsmodell in der Lage ist, alle untersuchten homogenen Strömungen korrekt wiederzugeben
Entwicklung spezieller Versuchseinrichtungen und deren Anwendungen für pulsierende und transitionale Strömungsuntersuchungen
Get PDFThe research work summarized in this thesis was carried out during the time the author spent at the Institute of Fluid Mechanics of the Friedrich-Alexander-University of Erlangen-Nürnberg and partially also in the Centre of Advanced Fluid Mechanics of FMP Technology GmbH, the latter also being located in Erlangen. During this time, the author was able to carry out research work in the field of pulsating channel and pipe flows in general but he also performed investigations of the laminar-to-turbulent transition occurring without pulsations. In the present thesis, the outcome of this research work is summarized. The studies on laminar pulsating channel and pipe flows show that at highly enough dimensionless frequencies , reversal can happen far from the wall and the velocity profile corresponding to that is characterized by two inflection points. However, all the previous investigations suggested that reversal can happen only very close to the wall with one inflection point. A reversal map was plotted to provide the conditions for both situations. Properties such as reversal location and reversal duration were investigated also. The obtained results indicated that the reversal occurred firstly near the wall, then with phase, it travelled away till it reached a minimum value, after that the reversal location moved back in the wall direction. Furthermore, it was found that reversal duration increased with . When comparing channel and pipe flows in terms of some parameters of technical importance and for the same applied dimensionless frequency and mass flow rate amplitudes, the obtained results indicated that pressure gradient, velocity and shear stress dimensionless amplitudes are higher in the case of channel flow. In the case of laminar pulsating channel flows with sinusoidal mass flow rate pulsations, the analytical solution for the velocity profile was validated experimentally. Very good agreement was obtained between the measured and calculated dimensionless velocity amplitudes . The author’s investigations on transitional pipe flows followed up the research carried out by Dr.-Ing. Bülent Ünsal and Mina Nishi, B.Sc., M.Sc. and he utilized their test rig for some of his first investigations. The research work they had carried out employing this test rig, showed that the critical Reynolds numbers, where laminar-to-turbulent transitional happens, increased with increasing pipe diameter. This finding agreed well with data available in the literature. Partially understanding this behavior of pipe flow test rigs yielded the design of a new test section to prove that flow equipment can be built where the critical Reynolds number is inversely proportional to the pipe diameter. This is elaborated on in the thesis and results of laminar-to turbulent measurements are shown to demonstrate the above-mentioned behavior of flow transition. The thesis also stresses that laminar-to-turbulent- transition in pipe flows can be caused by an instability that relates to the entire test rig and not so much to the pipe flow itself. Of course, the pipe flow is part of the test rig and there is a small influence but not of the strong kind that the measured transition reported in the literature shows as a function of Reynolds number. It has been pointed out in the literature that hot-wire response depends on the mass flow rate per unit area rather than the local velocity , but very convincing data covering a wide range of flow densities, are not available. This triggered the author’s interest to develop a test rig to calibrate hot wire with respect to for density variations in the range . The final results showed a slight pressure dependence of the calibration function. Based on the -measurements and in order to determine important properties for gases such as density, viscosity and thermal conductivity, a novel measurement system was developed. The principle of the proposed system and its description are provided in the thesis.Die zusammengefasste Forschungsarbeit in dieser Dissertation wurde während der Zeit durchgeführt, die der Autor am Institut für Strömunngsmechanik der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg und teilweise auch am „Center of Advanced Fluid Mechanics of FMP Technology GmbH“ tätig gewesen ist. Whärend dieser Zeit war der Autor in der Lage sowohl Forschungsarbeiten im Bereich der pulsierenden Kanal-und Rohrströmung durchzuführen aber auch auch Untersuchungen im Bereich des laminar-turbulenten Übergangs ohne auftretender Pulsation. In der vorliegenden Dissertation sind die Ergebnisse dieser Forschungsarbeiten zusammenfassend dargestellt. Die Studien über laminar, pulsierender Kanal-und Rohrströmung zeigten dass bei hohen genügend dimensionslosen Frequenzen eine Strömungsumkehr weit entfernt von der Wand auftreten kann. Das entsprechende Geschwindigkeitsprofil wird durch zwei Wendepunkte charakterisiert. Alle vorherigen Untersuchungen schlagen hingegen vor, dass eine Strömungsumkehr nur sehr nahe an der Wand mit lediglich einem Wendepunkt auftreten kann. Zur Bestimmung der Parameter für beide Situationen wurde die Bedingungen für die Strömungsumkehr in einem Diagramm graphisch dargestellt. Es wurden ebenfalls Strömungseigenschaften, wie z. B. die Position für die Strömungsumkehr und die Umkehrdauer quantitativ untersucht. Die erzielten Ergebnisse zeigten, dass die Strömungsumkehr zunächst in der Nähe der Wand auftrat und sich mit Phase anschließend weiter bewegte bis sie einen minimalen Wert erreicht. Danach bewegte sich die Position für die Strömungsumkehr zurück in Richtung Wand. Darüber hinaus wurde festgestellt dass sich die Umkehrdauer mit erhöhte. Beim Vergleich von Kanal - und Rohrströmung, in Bezug auf einige Parameter von technischer Bedeutung und für eine gleich gewählte dimensionslose Frequenz und gleicher Massendurchflussamplitude, deuten die erzielte Ergebnisse darauf hin dass die dimensionslosen Druckgradienten, Geschwindigkeits-und Scherspanungamplituden, im Falle einer Kanalströmung, höher sind als für die korrespondierende Rohrströmung. Im Fall von laminar pulsierender Kanalströmung mit sinusförmigen Massendurchfluss-pulsationen, wurde die analytische Lösung für das Geschwindichkeitsprofil experimentell validiert. Es wurde eine sehr gute Überstimmung zwischen den gemessenen und berechnenten dimensionlossen Geschwindigkeitsamplituden erzielt. Die Untersuchungen des Autors zum laminar-turbulenten Übergang in Rohrströmungen wurden nach bereits erfolgten Forschungsarbeiten von Dr.-Ing. Bülent Ünsal und Mina Nishi, B.Sc., M.Sc weitergeführt. Hierzu verwendete er für einige seiner ersten Untersuchungen deren Prüfstand. Die mittels des werwendete dieses Versuchstandes von Ihnen durchgeführte Forschungsarbeiten ergaben, dass sich die kritische Reynoldszahl, bei der es zur laminar-turbulenten Transition kommt, mit ansteigenden Rohrdurchmesser erhöhte. Dieses Ergebnis zeigte eine gute Überstimmung mit den in der Literatur vorhandenen Daten. Das nur teilweise Verstehen dieses Verhaltens bei Versuchsständen mit Rohrströmung führte zu dem Design eines neuartigen Versuchstandes, um zu zeigen, dass eine Messstrecke aufgebaut werden kann bei der sich die kritische Reynoldszahl antiproportional zum Rohrdurchmesser verhält. Dieses wurde in dieser Dissertation herausgearbeitet und die Ergebnisse der Messungen zur laminar-turbulenten Transition zeigten das oben erwähnte Verhalten von Transition in Rohrströmungen. Die Darstellungen in der Dissertation betonen ebenfalls, dass der laminar-turbulente Übergang in Rohrströmungen durch Instabilitäten verursacht werden kann, die weniger von der Rohrströmung selbst als vielmehr von dem gesamten Versuchstand und dessen Aufbau abhängen. Selbstverständlich ist die Rohrströmung ein Teil des Versuchsaufbaus und es gibt einen kleinen Einfluss der Rohrabmessungen auf das Stabilitätsverhalten. Allerdings nicht in dem Maße, wie die gemessene Transition als Funktion der Reynoldszahl in der Literatur dargestellt wird. In der Literature wurde aufgezeiget, dass das Ausgangsignal eines Hitzdraht-Anemometers von dem Massendurchfluss pro Einheitsfläche abhängt also nicht von der lokalen Geschwindigkeit . Allerdings sind keine Ergebnisse verfügbar, die eine große Spanne an Dichten abdekt. Dieser sachverhalt weckte das Interesse des Autors einen Versuchstand zu entwickeln, um Hitzdrähte bezüglich für unterschiedliche Dichten im Bereich von zu kalibrieren. Die experimental erhaltenen Ergebnisse zeigten eine leichte Abhängigkeit der Kalibrierfunktion vom Druck. Basierend auf den -Messungen wurde ein neuartiges Messsystem entwickelt, um Fluideigenschaften wie Dichte, Viskosität und thermische Leitfähigkeit von Gasen on-line zu bestimmen. Das Prinzip des vorgeschlagenen System wird in dieses Dissertation beschrieben
Going Beyond Counting First Authors in Author Co-citation Analysis
Get PDFThe present study examines one of the fundamental aspects of author co-citation analysis (ACA) - the way co-citation
counts are defined. Co-citation counting provides the data on which all subsequent statistical analyses and mappings
are based, and we compare ACA results based on two different types of co-citation counting - the traditional type that
only counts the first one among a cited work's authors on the one hand and a non-traditional type that takes into
account the first 5 authors of a cited work on the other hand. Results indicate that the picture produced through this non-traditional author co-citation counting contains more coherent author groups and is therefore considerably clearer. However, this picture represents fewer specialties in the research field being studied than that produced through the traditional first-author co-citation counting when the same number of top-ranked authors is selected and analyzed. Reasons for these effects are discussed
Variations on the Author
Get PDF“Variations on the Author” discusses two of Eduardo Coutinho’s recent films (Um Dia na Vida, from 2010, and Últimas Conversas, posthumously released in 2015) and their contribution to the general question of documentary authorship. The director’s filmography is characterized by a consistent yet self-effacing form of authorial self-inscription: Coutinho often features as an interviewer that rather than express opinions propels discourses; an interviewer that is good at listening. This mode of self-inscription characterizes him as an author who is not expressive but who is nonetheless markedly present on the screen. In Um Dia na Vida, however, Coutinho is completely absent form the image, while Últimas Conversas, on the contrary, includes a confessional prologue that moves the director from the margins to the center of his films. This article examines the ways in which these works stand out in the filmography of a director who offers new insights into the notion of cinematic authorship
Bestimmung von statistischen Turbulenzgrößen auf der Basis von direkten numerischen Simulationen der turbulenten Kanalströmung
Get PDFThe application of direct numerical simulations of turbulent channel flow is a key function in the present PhD thesis. Within this work, two different approaches have been studied in detail. Direct numerical simulations were performed with a finite volume method (FASTEST-3D) in the first part of this thesis. Based on the sparse grid formulation, the combination technique, which was developed at TU Munich, was implemented in FASTEST-3D. On the one hand, increased efficiency speeded up the time consuming direct numerical simulations, and on the other hand computations of turbulent flows with higher Reynolds numbers could be carried out. Using FASTEST-3D, the combination technique was applied to a numerical scheme with collocated grid arrangement for the first time. Despite a lot of optimism when starting this work, it must be finally stated that turbulence simulations with the combination technique on non-staggered grids have failed. All hopes connected with the usage of the combination technique together with the multigrid method on complex geometries were disappointed. Even with simple geometries, like the turbulent channel flow, a numerically stable state of the computation could not be achieved due to numerical constraints of the collocated grid arrangement. Numerically stable, but unsuitable, interpolation schemes led to smoothing of the initial short-wave turbulence which caused re-laminarisation and hence stabilization of the method. Concerning the accuracy of the combination technique it is still not clear, how a physically realistic state of turbulence can be obtained by a linear combination of sparse grid solutions with their reduced turbulence information. It cannot be refuted that a sparse grid solution contains fewer turbulent energy scales according to its coarser grid resolution. Finally, although successful applicability of the combination technique was proven for model problems and laminar flows, this method cannot be applied to engineering applications due to serious stability problems. The second part of the present work concentrates on spectral method computations of the turbulent channel. Concerning the statements of the previous paragraph, the grid resolution and the use of higher order discretisation schemes is essentially important for the performance of DNS. Even spectral methods have limitations to their accuracy as shown in the present work. Fine grid resolution does not inevitably cause better or more realistic results. In addition, the expected improvement in quality of the results does not always justify the enormous increase of computational effort. Although many issues of the turbulent channel were investigated within this thesis, it was not possible to clarify every single task. The main contribution of this work was rather an additional insight to this very sophisticated topic. Particularly the comparison of the spectral data with results of alternative methods was very useful. Even with methods of lower order accuracy reasonable results can be obtained as well. Moreover, finite volume methods are much more flexible than spectral methods. Therefore, this kind of method can also be taken for technical applications. Finally, it can be concluded that this thesis covers many aspects concerning direct numerical simulations of the turbulent channel flow. The present work has shown very clearly that close cooperation between experimental and numerical staff can lead to the most beneficial results for turbulence research work.Die Durchführung direkter numerischer Simulationen nimmt eine Schlüsselfunktion in der vorliegenden Dissertation ein. Dafür werden im Rahmen dieser Arbeit zwei unterschiedliche Simulationsansätze näher untersucht. Im ersten Teil der Arbeit werden DNS mit einem Finite-Volumen-Verfahren (FASTEST-3D) durchgeführt. Auf der Basis der Dünngitterdarstellung wurde darin die an der TU München entwickelte Kombinationstechnik implementiert. Die damit erreichbare Effizienzsteigerung kann zum einen zur Verkürzung der sehr langen Rechenzeiten von DNS genutzt werden, zum anderen liefert sie das Potential, turbulente Strömungen mit höheren Reynoldszahlen als bisher zu simulieren. Mit der Verwendung von FASTEST-3D wird die Kombinationstechnik erstmalig auf ein numerisches Verfahren mit nicht-versetzter Gitteranordnung eingesetzt. Nach Abschluss dieser Arbeit muss allerdings ernüchternd festgestellt werden, dass das Vorhaben Simulation turbulenter Strömungen mittels Kombinationstechnik auf nicht-versetzten Gittern trotz anfänglich großen Optimismus' für gescheitert erklärt werden muss. Die Hoffnungen, die insbesondere damit verknüpft waren, diese Gitteranordnung zu nutzen, um später die Kombinationstechnik sowohl kombiniert mit Mehrgitterverfahren als auch auf komplexere Geometrien anwenden zu können, sind enttäuscht worden. Selbst für einfache Geometrien wie die des turbulenten Plattenkanals konnte aufgrund numerischer Zwänge der nicht-versetzten Gitteranordnung kein numerisch stabiler Zustand erreicht werden. Andererseits sorgten ungeeignete, wenn auch numerisch stabile Interpolationsverfahren dafür, dass anfänglich vorhandene kurzwellige Turbulenz geglättet wurde, was wiederum die numerische Relaminarisierung und somit Stabilisierung des Verfahrens zur Folge hatte. Bzgl. der Genauigkeit der Kombinationstechnik ist außerdem von Beginn der Arbeit an unklar, wie ein tatsächlich physikalisch vorliegender Turbulenzzustand durch Linearkombination von auf gerichtet ausgedünnten Gittern erzeugter Turbulenzinformation numerisch ermittelt werden kann. Dabei wird nicht in Frage gestellt, dass es prinzipiell möglich ist durch Linearkombination unterschiedlicher gerichtet ausgedünnter Gitterlösungen einen Teil der Turbulenzinformation zu rekonstruieren, sondern in wie weit der ermittelte Zustand die physikalische Realität wiederspiegelt. Abschließend bleibt festzuhalten, dass die Kombinationstechnik für Modellprobleme und laminare Strömungsvorgänge ihre Anwendbarkeit durchaus erfolgreich bewiesen hat. Für technisch relevante Anwendungen ist sie allerdings aufgrund der hohen Instabilität selbst für den universitären Gebrauch nicht praktikabel. Der zweite Teil der vorliegenden Arbeit konzentriert sich auf die Darstellung des Spektralverfahrens für die Simulation der turbulenten Kanalströmung. Vor dem Hintergrund der zuletzt gemachten Aussagen, zeigt sich wie essentiell wichtig die Auflösung des zugrunde liegenden Diskretisierungsgitters und die verwendete Genauigkeitsordnung des numerischen Verfahrens für die Durchführung von DNS ist. Bzgl. der Genauigkeit haben auch Spektralverfahren ihre Grenzen, wie die Ergebnisse eindrucksvoll zeigen. Entgegen anfänglicher Erwartungen hat eine größere Auflösung des numerischen Gitters nicht unweigerlich bessere oder realistischere Ergebnisse zur Folge. Zudem rechtfertigt der nominell zu erwartende Qualitätszuwachs der Ergebnisse nicht unbedingt die zum Teil erhebliche Steigerung des zusätzlichen Bedarfs an Rechenressourcen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnten mit Hilfe der Spektralverfahren viele offenen Fragen angerissen werden. Auch wenn es nicht immer gelingt schlüssige Erklärungen für ungeklärte Sachverhalte zu finden, so kann doch in vielen Fällen das oft beschworene Gefühl für das vorliegende numerische Verhalten vermittelt werden. Im Kern der Arbeit geht es darum, neue Erkenntnisse zu sammeln, die vielfach erst durch die Verfügbarkeit größerer Rechnerkapazitäten möglich geworden sind. Als nützlich hat sich zudem der Vergleich der Spektraldaten mit Ergebnissen anderer numerischer Verfahren erwiesen. Dabei zeigt sich, dass sich auch mit Verfahren niedrigerer Genauigkeitsordnung durchaus respektable Resultate erzielen lassen und somit den Vergleich mit den hochgenauen Spektralverfahren nicht scheuen müssen. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass diese Arbeit eine Vielzahl an Aspekten der DNS der turbulenten Kanalströmung abdeckt und darüber hinaus diverse Ansatzpunkte liefert, die weitere Aktivitäten auf diesem Gebiet lohnend erscheinen lassen. Die im Rahmen dieser Dissertation vorgestellten Arbeiten haben gezeigt, dass es von großem Vorteil ist, den kompletten Themenkomplex wandinduzierte Turbulenz Hand in Hand von Experimentatoren und Numerikern gemeinsam zu bearbeiten. Dadurch sind nach Ansicht des Autoren die vielversprechensten Ergebnisse zu erwarten
Laminar-turbulenter Strömungsumschlag in Rohrströmungen durch Puffs und Slugs
No full textA classical problem in fluid mechanics, laminar to turbulent transition in pipe flow, was investigated and the results of new findings are summarized in this thesis. The investigation of transitions in pipe flows was started by Reynolds (1883) and continued subsequently, hence it has a long history. Nevertheless, there are still many unknown issues that need clarification, which are presented as an introduction containing a brief literature survey. For the actual experimental investigations, an experimental test rig, built by Durst & Ünsal (2006), was applied after some modifications. The test rig, containing a mass flow controller, a flow conditioner, a brass pipe, devices to trigger transition and also measuring equipment, is described in detail. Through some preliminary research works, a natural transition and also a transition triggered by ring obstacles were studied. The investigation showed clearly the dependence on the height of the ring obstacles and also on Reynolds number that a flow was triggered to a transitional flow. The Reynolds number was defined as Re = u_bulk D/nu;, where u_bulk is the bulk velocity, D is the pipe diameter and nu; is the kinematic viscosity of the fluid. As is well known, two distinct types of flow structure exist during a laminar to turbulent transition, namely puffs and slugs, first introduced by Wygnanski & Champagne (1973). The test rig was then applied to investigate the development of puffs and slugs which were triggered in a repeatable way in a pipe at different Reynolds numbers. Also considered is a transformation from puffs to slugs through puff splittings, occurring while they propagate in a pipe or occurring by an increase in Reynolds number. There are other interesting issues observed in low Reynolds number pipe flows, such as the dissipation of puffs. The time between when puffs were created and dissipated is named ‘full-lifetime’ in this thesis work. The full-lifetime of puffs is measured directly with a pressure transducer and the results are presented and discussed. Through the investigation of lifetime, the possible evolutions of flow structures occurring in laminar to turbulent transitions observed in low Reynolds number pipe flows could be well explained. Finally, for further understanding of transitional phenomena in pipe flows, Reynolds stress anisotropy invariant of the slug structure was carefully measured by using hot wire anemometry. The results indicated that the Reynolds stress anisotropy model is able to predict the transition. Conclusions and final remarks are presented, summarizing all the investigations carried out.In der vorliegenden Dissertationsarbeit wird ein klassisches Problem der Strömungsmechanik nämlich die laminar-turbulente Transition in der Rohrströmung untersucht und die gefundenen neuen Erkenntnisse werden zusammengefasst. Untersuchungen zur Transition im Rohr haben eine lange Geschichte, die zurück geht bis Reynolds (1883) und seither laufend fortgeschrieben wurde. Dennoch gibt es immer noch eine ganze Reihe offener Fragen, die auf eine Klärung warten. In der Einleitung werden diese Fragen auf der Basis einer kurzen Literaturübersicht herausgearbeitet. Für die anschließend durchgeführten Experimente wurde ein Versuchsaufbau verwendet, der von Durst & Ünsal (2006) erstellt und mit einigen Modifikationen an die geänderte Aufgabenstellung angepasst wurde. Der Versuchstand, der aus einem Massenstromkontroller, einem Strömungskonditionierer, einem Messrohr, einer Einrichtung zur Auslösung der Strömungstransition und den Messgeräten bestand, wird im Detail beschrieben. In einer einleitenden Studie wurde die natürliche Transition sowie die Transition, die durch ringförmige Hindernisse ausgelöst wird, betrachtet. Es zeigte sich eine deutliche Abhängigkeit der Transitionsauslösung von der Höhe des ringförmigen Hindernisses sowie von der Reynoldszahl, wobei die Reynoldszahl definiert ist als Re = ubulkD/nu;, mit ubulk der Durchflussgeschwindigkeit, D dem Rohrdurchmesser und nu; der kinematischen Viskosität des Fluids. Wie bekannt ist, können zwei unterschiedliche Arten von Strömungsstrukturen bei der laminar-turbulenten Transition in Rohren beobachtet werden, nämlich Puffs und Slugs, wie sie erstmals von Wygnanski & Champagne (1973) eingeführt wurden. In der vorliegenden Arbeit wurde die Entwicklung von kontrolliert erzeugten Puffs und Slugs während ihres Transports entlang der Rohrlänge bei unterschiedlichen Reynoldszahlen untersucht. Dabei konnte auch die Umwandlung von Puffs zu Slugs über ein Puff-splitting oder aber das Abklingen der Puffs bei niedrigen Reynoldszahlen beobachtet werden. Der Zeitraum zwischen der Erzeugung der Puffs und ihrem Verschwinden wurde als ‘full-lifetime’ definiert und konnte mit einem Drucksensor direkt gemessen werden. Auf der Basis dieser Lebenszeitmessungen konnten die möglichen Entwicklungen der Strömungsstrukturen, die bei der laminar-turbulenten Transition von Rohrströmungen niedriger Reynoldszahl auftreten, diskutiert und weitgehend geklärt werden. Für das weitergehende Verständnis der Übergangsphänomene in Rohrströmungen wurde die Anisotropie der Reynoldsspannungen in der Slugsstruktur mit Hilfe der Hitzdraht-Anemometrie vermessen. Die Ergebnisse zeigen, dass das Reynoldsspannungsanisotropiemodell in der Lage ist, den Übergang gut vorherzusagen
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