Vortex Pairing
Wirbelpaarung in freier Scherschicht
Kurzbeschreibung
Mit Hilfe des Programmsystems FIDAP wurde die rein isotherme Durchströmung eines scharfen zweidimensionalen U-Bogens berechnet.
Im U-Bogen entsteht kurz vor dem Beginn der Biegung an der Aussenwand ein sich über einen grossen Bogenbereich hinziehender Ablösebereich. Die trennende Strömungsschicht zwischen der Hauptströmung und dem Ablösebereich ist die freie Scherschicht, in der der Geschwindigkeitsgradient relativ gering ist.
Nach der scharfen Biegung entlang der inneren Wand bildet sich eine grossräumige Ablösung. Infolge der hohen Geschwindigkeit im Bereich der scharfen Strömungsumlenkung ist der Geschindigkeitsgradient relativ gross, so dass sich stark ausgeprägte Wirbel in der freien Scherschicht entwickeln können. Die Instabilität der Scherschicht lässt sich mit Hilfe Streichlinien
gut ausmachen. Im weiteren Verlauf der freien Scherschicht wird ein weiteres Gebiet erreicht, in dem durch Beschleunigung des Hauptstromes der Scherschicht wieder verstärkt Energie zugeführt wird (Verengung des Hauptstromkanals durch Ablösebreich entlang der Aussenwand und Ablösung hinter der scharfen Biegung). In diesem Bereich behalten die Wirbel ihren Kerndurchmesser weitgehend bei, es kommt zur Wirbelpaarung
zweier gleichdrehender Wirbel. Im weiteren Verlauf wird der divergente Teil des Hauptstromkanals erreicht, in dem die Energiezufuhr in die freie Scherschicht deutlich abnimmt und die Wirbelkerndurchmesser zunehmen. Die Durchmischung und Auflösung der vorher beständigen Wirbelkerne ist in vollem Gang.
Die Berechnungsergebnisse wurden mit Hilfe eines einfachen Experiments
verifiziert. Die Effekte der berechneten zweidimesionalen Kanalströmung zeigen sich sehr gut an der freien Oberfläche der Strömung im Wasserkanal. Das auf die Oberfläche aufgebrachte Öl zeigt sehr schön die in der freien Scherschicht generierten und sich paarenden Wirbel.
Die Bilder entstammen den Bildsequenzen, die für den Videofilm "VORTEX PAIRING IN FREE SHEARLAYER" generiert wurden.