Some physical aspects of separation bibble on a rounded backward-facing step

Kurzfassung

Experimental results on transitional separated flows along a rounded backward facing step are reported in the present thesis. Experiments are carried out in a water towing tank using hydrogen bubbles and laser light sheet flow visualizations. Results are given for a Reynolds number range between 8.4x103 and 1.01x105. Velocity-field measurements are obtained with video-based digital particle image velocimetry (DPIV). Flow visualizations and quantitative measurements reveal that the topological structure and dynamics of transitional separated flows are complex and dominated by large-scale flow unsteadiness with travelling vortices, with intense interaction between these flow structures, and with inclined separated shear layers. Vortex shedding appears out and downstream of a mean-flow separation bubble. While laminar flow separation appears stationary and two-dimensional a pronounced three-dimensionality of the flow appears in the region of turbulent flow reattachment. The development of the initially two-dimensional vortex-flow structures into lambda-formed three-dimensional flow structures is visualized. An interpretation of the dynamics of an unsteady vortex flow being the basis of a mean-flow transitional separation bubble is given. In der vorliegenden Arbeit wird über experimentelle Ergebnisse berichtet, die über laminar ablösende und turbulent wiederanlegende, d.h. transitionell abgelöste Strömungen entlang einer gerundeten zurückspringenden Stufe gewonnen wurden. Die Experimente wurden in einem Wasserschleppkanal durchgeführt. Mit Wasserstoffbläschen- und mit Laserlichtschnitt-Verfahren wurden die instationären Wirbelbewegungen sichtbar gemacht. Die Reynoldszahl wurde zwischen 8.4x103 und 1.01x105 variiert. Die momentanen Geschwindigkeitsfelder wurden mit Digital Particle Image Velocimetry (DPIV) gewonnen. Strömungssichtbarmachungen und Messungen zeigen, dass die topologische Struktur und die Dynamik transitionell abgelöster Strömungen sehr komplex sind. Großskalige instationäre Wirbelbewegungen mit starker Wechselwirkung und rampenförmig abgelösten Scherschichten wurden identifiziert. Ein Wirbelnachlauf wird stromab die zeitlich gemittelte Ablöseblase sichtbar. Während die Strömungsablösung stationär und zweidimensional erfolgt, tritt verstärkt Dreidimensionalität und Instationarität im turbulenten Wiederanlegebereich auf. Die Entwicklung der anfänglich zweidimensionalen Wirbelstrukturen in lambda-förmige dreidimensionale Strömungsstrukturen und deren Wechselwirkungen bis hin zum laminar-turbulenten Zusammenbruch wurden sichtbar gemacht. Die Dynamik dieser instationären Wirbelströmung, die die Grundlage der zeitlich gemittelten transitionellen Ablöseblase darstellt, wird in der hier vorliegenden Arbeit dargelegt.