A probabilistic particle tracking framework for guided and Brownian motion systems with high particle densities. - In: SN Computer Science, ISSN 2661-8907, Bd. 2 (2021), 6, 485, insges. 20 S.
This paper presents a new framework for particle tracking based on a Gaussian Mixture Model (GMM). It is an extension of the state-of-the-art iterative reconstruction of individual particles by a continuous modeling of the particle trajectories considering the position and velocity as coupled quantities. The proposed approach includes an initialization and a processing step. In the first step, the velocities at the initial points are determined after iterative reconstruction of individual particles of the first four images to be able to generate the tracks between these initial points. From there on, the tracks are extended in the processing step by searching for and including new points obtained from consecutive images based on continuous modeling of the particle trajectories with a Gaussian Mixture Model. The presented tracking procedure allows to extend existing trajectories interactively with low computing effort and to store them in a compact representation using little memory space. To demonstrate the performance and the functionality of this new particle tracking approach, it is successfully applied to a synthetic turbulent pipe flow, to the problem of observing particles corresponding to a Brownian motion (e.g., motion of cells), as well as to problems where the motion is guided by boundary forces, e.g., in the case of particle tracking velocimetry of turbulent Rayleigh-Bénard convection.
https://doi.org/10.1007/s42979-021-00879-z
Simultaneous tomographic particle image velocimetry and thermometry of turbulent Rayleigh-Bénard convection. - In: Measurement science and technology, ISSN 1361-6501, Bd. 32 (2021), 9, 095201, insges. 17 S.
https://doi.org/10.1088/1361-6501/abf095
New results in numerical and experimental fluid mechanics XIII : contributions to the 22nd STAB/DGLR Symposium. - Cham, Switzerland : Springer, 2021. - xiv, 787 Seiten. - (Notes on numerical fluid mechanics and multidisciplinary design ; volume 151) ISBN 978-3-030-79560-3
"In 2020, the 22nd DGLR/STAB Symposium was planned to be held in Berlin. Unfortunately, due to the corona pandemie, the STAB Board had to cancel the conference to protect the health of the participants. However, it was the Board's strong ambition to give researchers who had planned a presentation for the symposium the opportunity to publish their latest work in an approprialte setting. Thus, the present volume contains the papers originally envisaged for the symposium after having successfully undergone a thorough peer review process..." (s. "Preface" Seite V)
The Barrel of Ilmenau: a large-scale convection experiment to study dust devil-like flow structures. - In: Meteorologische Zeitschrift, ISSN 1610-1227, Bd. 30 (2021), 1, S. 89-97
We present an experimental facility for the validation of numerical simulations on atmospheric dust devils in a controlled laboratory experiment. Dust devils are atmospheric air vortices with a vertical axis, and are formed by intense solar radiation and the resulting vertical temperature gradient. The structure of a typical dust devil is dominated by a radial inflow near the surface and a vertical upward flow within the vortex. These vortices have been studied in recent years using field observations, in situ measurements, and large-eddy simulation (LES). Field tests suffer from the limited area and their unpredictable behavior, while the LES approach cannot resolve the dust devils well enough. Dust devil-like structures may also occur in direct numerical simulation (DNS) with a Rayleigh number of at least Ra = 10^7 in Rayleigh-Bénard convection, with the advantage that the structures can be resolved more precisely. In order to validate the DNS approach and provide measurement data, the airflow is measured inside of a large-scale Rayleigh-Bénard cell of similar geometry (i.e. inside the Barrel of Ilmenau) to the DNS set-up for Rayleigh numbers from Ra = 10^6 to Ra = 10^12. For the measurement of the flow in a large volume, an optical measurement method is used to obtain the trajectories of single particles. Since there are no commercial systems that are suitable for such a large measurement volume, we developed our own system.
https://doi.org/10.1127/metz/2020/1046
Direct measurements of the thermal dissipation rate in turbulent Rayleigh-Bénard convection. - In: Physics of fluids, ISSN 1089-7666, Bd. 33 (2021), 3, 035139, S. 035139-1-035139-11
https://doi.org/10.1063/5.0033746
Direct numerical simulation of very-large-scale motions in turbulent pipe flow
1. Auflage. - Göttingen : Cuvillier Verlag, 2021. - xxxi, 208 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2020
ISBN 978-3-7369-7369-5
Die turbulente Rohrströmung ist nicht nur von Bedeutung für Anwendungen im Ingenieurbereich, sondern auch für die Grundlagenforschung von wandnaher Turbulenz. Auf letzterem Gebiet wurden, neben dem gut untersuchten Wandzyklus kleinskaliger turbulenter Schwankungen, in jüngerer Zeit sogenannte "sehr großskalige Strömungsbewegungen" (engl.: very-large-scale motions, VLSMs) entdeckt. Letztere treten bei hohen Reynoldszahlen auf und interagieren mit den kleinskaligen Strömungsstrukturen in der Nähe der Wand. Obwohl sich eine Vielzahl von Studien mit der Charakterisierung von VLSMs beschäftigt, sind die Prozesse, welche deren Interaktion mit kleinskaligen Strukturen beherrschen weitgehend unbekannt. Die vorliegende Arbeit widmet sich daher dem Studium von VLSMs in der turbulenten Rohrströmung mittels direkter numerischer Simulation bei Schubspannungs-Reynoldszahlen bis ReT=2880. Nachdem die virtuelle Rohrlänge, welche benötigt wird, damit VLSMs realistisch simuliert werden können, auf L≥42R festgelegt wurde, wird das Konvergenz- und Skalierungsverhalten verschiedener statistischer Momente der Geschwindigkeitsverteilung untersucht und in Bezug auf turbulente kohärente Strukturen diskutiert. Neben der Abhängigkeit des Maximums der axialen Reynolds'schen Spannung von der Reynoldszahl, sind die logarithmischen Reynoldszahlabhängigkeiten der Schiefe der axialen Geschwindigkeitsverteilung sowie der Flachheit der wandnormalen Geschwindigkeitsverteilung festzustellen. Diese Reynoldszahlabhängigkeiten sind auf die Interaktion der VLSMs mit dem wandnahen Strömungsbereich zurückzuführen. Die folgende Analyse der axialen Energietransportgleichung des gefilterten Geschwindigkeitsfeldes legt offen, dass VLSMs Energie von der mittleren Strömung zugeführt bekommen, ähnlich den kleinskaligen Strukturen durch den turbulenten Produktionsmechanismus. Im Gegensatz zu den kleinskaligen Fluktuationen im wandnahen Zyklus, wird für VLSMs keine inverse Energiekaskade im statistischen Mittel detektiert. Skalen, welche kleiner sind als VLSMs sind jedoch verantwortlich für den physikalischen Transport von VLSM Energie in Richtung Wand und Hauptströmungsbereich. Zudem findet sich eine inverse Energiekaskade in Momentaufnahmen der Strömung in Regionen langsamer, sich von der Wand wegbewegender VLSMs. Dieses Verhalten unterscheidet sich grundsätzlich von dem kleinskaliger Fluktuationen, wo die inverse Energiekaskade mit schnellen, sich zur Wand hinbewegenden Strukturen zusammenhängt. In beiden Fällen ist der Energietransport schneller Strömungsbewegungen stärker, als jener der langsamen. Im Allgemeinen tritt die rückwärtige Energiekaskade vor allem in Regionen hoher turbulenter kinetischer Energie auf. Zusammengefasst gewährt die Forschungsarbeit neue Einblicke in die Interaktion von VLSMs mit dem turbulenten Wandzyklus und trägt zum besseren Verständnis der turbulenten Rohrströmung bei.
Investigation of the acoustic particle velocity using synchronized non-invasive measurements in the near and far field of a turbulent flow. - In: Journal of sound and vibration, ISSN 0022-460X, Bd. 493 (2021), 115820, insges. 14 S.
The sound generation of an aeroacoustic source with dominating tonal components and the propagation into the acoustic far field is investigated based on measurements of the flow around a square rod - mounted horizontally in an open-jet closed-circuit anechoic wind-tunnel - at a Reynolds number of 6×104. Pressure time series are measured with microphones in the far field while velocity field measurements are performed simultaneously with the non-invasive particle image velocimetry (PIV) technique in the flow field. It is shown that the propagation of acoustic waves from the source region to the far field can be resolved analyzing additionally flow fields recorded in vertically shifted fields of view, if the time evolution is synchronized properly with the far-field pressure signal. Furthermore, a comparison with two analytical solutions shows that the cross-correlation function of far-field pressure and near-field velocity fluctuations, normalized by the standard deviation of the pressure signal, corresponds to the acoustic particle velocity. However, this only applies to areas where the acoustic fluctuations dominate, i.e. not in the wake or in the free shear layer between the wind tunnel flow and the quiescent air where acoustic fluctuations are superimposed by hydrodynamic ones.
https://doi.org/10.1016/j.jsv.2020.115820
Direct numerical simulation of turbulent channel flow with condensation using a cluster-based droplet deposition model. - In: Direct and large eddy simulation XII, (2020), S. 111-117
Analyse der Strukturbildung in turbulenten Mischkonvektionsströmungen auf Basis direkter numerischer Simulationen. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2020. - 1 Online-Ressource (xxvii, 131 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2020
In der vorliegenden Arbeit wurden die Interaktionen zwischen Strömungsstrukturen in turbulenten Mischkonvektionsströmungen untersucht. Anhand von direkten numerischen Simulationen eines differentiell beheizten vertikalen Kanals wurde die Strömung im Hinblick auf die thermisch induzierte Dämpfung und Anfachung der turbulenten Geschwindigkeits-, Druck- und Temperaturfluktuationen analysiert. Es wurde eine umfassende physikalische Erklärung der Dämpfung und Anfachung erarbeitet, die bisher in der Literatur nicht vorhanden war. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Relativgeschwindigkeiten der turbulenten Strömungsstrukturen aufgrund ihrer unterschiedlichen Temperaturen in der Nähe der beheizten Kanalwand reduziert und in der Nähe der gekühlten Wand erhöht werden. Die Veränderungen der Relativgeschwindigkeiten zwischen diesen Strukturen wirken sich unmittelbar auf die internen Scherschichten der Strömung aus und verringern und erhöhen die Umverteilung von fluktuierender turbulenter Energie von der Hauptströmungsrichtung in die anderen beiden Richtungen. Dadurch wird auch der wandnormale Energietransport verringert und erhöht, was zu entsprechenden Veränderungen der Produktion fluktuierender turbulenter Energie führt. Der Kreislauf des Energietransportes wird insgesamt so verändert, dass die turbulenten Geschwindigkeitsfluktuationen an der beheizten Wand verringert und an der gekühlten Wand erhöht werden. Damit einhergehend werden die turbulenten Strömungsstrukturen in der Nähe der beheizten Wand länger und in der Nähe der gekühlten Wand kürzer während ihre Breite in allen betrachteten Fällen nahezu konstant ist. Anhand von Simulationen einer belüfteten Mischkonvektionszelle wurde die Strömung analysiert und die Struktur der großskaligen Strömungsstrukturen im gesamten Rechengebiet diskutiert. Dadurch konnte gezeigt werden, dass die direkten numerischen Simulationen in der Lage sind, die Strömungsstrukturen im Vergleich mit Ergebnissen experimenteller Untersuchungen sowohl qualitativ als auch quantitativ gut abzubilden. Damit ist zum einen sichergestellt, dass das verwendete Simulationsverfahren physikalisch richtige Ergebnisse liefert und dass diese zum anderen zukünftig für die detaillierte Analyse der physikalischen Vorgänge in der Mischkonvektionszelle verwendet werden können.
https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2020000706
Inner and outer scales in turbulent Rayleigh-Bénard convection. - In: Physics of fluids, ISSN 1089-7666, Bd. 32 (2020), 11, 115115, S. 115115-1-115115-15
https://doi.org/10.1063/5.0029853