Als Teilprojekt des Themenkreises III "Transitionskontrolle" des Schwerpunkt-Forschungsprogramms "Transition" der Deutschen Forschungsgemeinschaft, konzentriert sich diese Arbeit auf experimentelle Grundlagenuntersuchungen zum laminar-turbulenten Grenzsichtumschlag. Die Experimente wurden in der Grenzschicht einer ebenen, parallel angeblasenen, hydraulisch glatten Platte durchgeführt. Einen besonderen Schwerpunkt bildet die Abhängigkeit der Entwicklung der Instabilitäten, der sogenannten Tollmien-Schlichting Wellen, von deren Schräglaufwinkel zur Plattenvorderkante. Weiterhin wird der Einfluss zahlreicher Parameter wie z.B. des Schalldruckpegels und der Anregungsfrequenz diskutiert. Die Anregung der Tollmien-Schlichting Wellen erfolgte über periodisches Ausblasen / Ansaugen von Luft durch oberflächenbündige Schlitze quer zur Strömungsrichtung. Mit einem zeitlich hochauflösenden, restlichverstärkendem Kamerasystem konnten Aufnahmen der Strömungsvisualisierung erzielt werden, die unter anderem die zeitliche Entwicklung von Wirbelstrukturen (Lambda- Wirbel) zeigen. Zur Analyse der experimentell gewonnen Daten werden vergleichend Berechnungen nach der "Linearen Stabilitätstheorie" diskutiert. Einen weiteren Schwerpunkt bilden Untersuchungen zur aktiven Transitionskontrolle. Dabei wird der künstlich angeregten Tollmien Schlichting Welle eine gegenphasige Störwelle stromab überlagert. Es konnte nachgewiesen werden, das mit diesem Verfahren entsprechend des Superpositionsprinzips, die anfängliche Störamplitude der Tollmien Schlichting Welle deutlich reduziert wird. Es kommt zu einer fast vollständigen Störauslöschung. Untersuchungen im Nahfeld der Störeinkopplung, sowohl im Bereich der Anregnung als auch der gegenphasigen Dämpfungseinkopplung, zeigen deren Auswirkung auf die Entwicklung der Grenzschicht. / A sub-project of the working group III, "Transition Control" of the German Research Community's project "Transition", this paper is focused on experimental fundamental investigations in the field of laminar-turbulent transition. The experiments were carried out in the boundary layer of a flat plat with tangential blowing. The main topic is the development of instabilities, or so-called Tollmien-Schlichting Waves (TSWs), based on the oblique angle between the TSWs and the leading edge. In addition the influence of other parameters, including the sound-pressure level and the frequency of the TSWs are discussed. The instabilities are initialised by suction and blowing through flush, oblique slots in the surface of a flat plate. Pictures of the flow visualisation, recorded with a high-speed camera system, show the time-resolved development of structures (Lamda-Vortices) within the boundary layer. In order to analyse the experimental data, a comparison is made between it and numerical calculations corresponding to the Linear Instability Theory. Another main topic is the investigation of the active transition control. According to the Super Position Principle a second wave with opposite phase is superimposed on the TSW. It can be demonstrated that this technique works with oblique waves too. The initialised instabilities can almost completely be cancelled out. Investigations very close to the initialising slots of the TSW with a high special resolution show their influence on the development of the boundary layer.

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Diese numerische Arbeit untersucht, wie sich die laminar-turbulente Transition in der Grenzschicht einer ebenen Platte mit elektromagnetischen Kräften verzögern lässt. Erzeugt von einer Elektroden-Magnet-Anordnung in der Platte wirken jene Kräfte im wandnahen Bereich der Strömung. Sie sind wandparallel sowie stromab gerichtet und besitzen zwei Parameter, die Amplitude und die Eindringtiefe. Zwei- und dreidimensionale Direkte Numerische Simulationen, Grenzschichtgleichungslöser sowie lineare Stabilitätsanalyse werden eingesetzt, um zwei Ansätze der Transitionsverzögerung zu verfolgen: Zum einen die aktive Wellenauslöschung, bei der ankommende Grenzschichtinstabilitäten von gegenphasig angeregten Wellen bis zu 97% ausgelöscht werden. Zum anderen können elektromagnetische Kräfte die Grenzschicht beschleunigen und so zu deutlich stabilieren Grenzschichtprofilen führen. Über evolutionäre Optimierung wurde eine räumliche Verteilung von Eindringtiefe und Kraftamplitude gefunden, die den Energieeinsatz minimiert und gleichzeitig laminare Strömung sicherstellt; dennoch bliebt die energetische Effizienz der Beeinflussung unter Eins. / This numerical work investigates how electromagnetic forces may delay laminar-turbulent transition of a flat plate boundary layer. Generated by an array of electrodes and magnets flush mounted in the wall, those forces act within the wall-near flow. They are oriented in wall-parallel, downstream direction and are characterized by two parameters, namely amplitude and penetration depth. Two- and three-dimensional Direct Numerical Simulations, numerical solutions of boundary layer equations and linear stability analysis are applied to study two possible ways of transition delay: first, the so-called active wave cancellation, where an anti-wave cancels incoming boundary layer instabilities by up to 97%. A second option is have electromagnetic forces accelerate the boundary layer, thereby modifying its mean velocity profile for greatly enhanced stability. Using evolutionary optimization, a spatial distribution of force amplitude and penetration depth was obtained that maintains laminar flow while minimizing electrical power consumption of the actuator. However, the energetic efficiency of actuation remains less than unity.

Diese numerische Arbeit untersucht, wie sich die laminar-turbulente Transition in der Grenzschicht einer ebenen Platte mit elektromagnetischen Kräften verzögern lässt. Erzeugt von einer Elektroden-Magnet-Anordnung in der Platte wirken jene Kräfte im wandnahen Bereich der Strömung. Sie sind wandparallel sowie stromab gerichtet und besitzen zwei Parameter, die Amplitude und die Eindringtiefe. Zwei- und dreidimensionale Direkte Numerische Simulationen, Grenzschichtgleichungslöser sowie lineare Stabilitätsanalyse werden eingesetzt, um zwei Ansätze der Transitionsverzögerung zu verfolgen: Zum einen die aktive Wellenauslöschung, bei der ankommende Grenzschichtinstabilitäten von gegenphasig angeregten Wellen bis zu 97% ausgelöscht werden. Zum anderen können elektromagnetische Kräfte die Grenzschicht beschleunigen und so zu deutlich stabilieren Grenzschichtprofilen führen. Über evolutionäre Optimierung wurde eine räumliche Verteilung von Eindringtiefe und Kraftamplitude gefunden, die den Energieeinsatz minimiert und gleichzeitig laminare Strömung sicherstellt; dennoch bliebt die energetische Effizienz der Beeinflussung unter Eins. / This numerical work investigates how electromagnetic forces may delay laminar-turbulent transition of a flat plate boundary layer. Generated by an array of electrodes and magnets flush mounted in the wall, those forces act within the wall-near flow. They are oriented in wall-parallel, downstream direction and are characterized by two parameters, namely amplitude and penetration depth. Two- and three-dimensional Direct Numerical Simulations, numerical solutions of boundary layer equations and linear stability analysis are applied to study two possible ways of transition delay: first, the so-called active wave cancellation, where an anti-wave cancels incoming boundary layer instabilities by up to 97%. A second option is have electromagnetic forces accelerate the boundary layer, thereby modifying its mean velocity profile for greatly enhanced stability. Using evolutionary optimization, a spatial distribution of force amplitude and penetration depth was obtained that maintains laminar flow while minimizing electrical power consumption of the actuator. However, the energetic efficiency of actuation remains less than unity.

Als Teilprojekt des Themenkreises III "Transitionskontrolle" des Schwerpunkt-Forschungsprogramms "Transition" der Deutschen Forschungsgemeinschaft, konzentriert sich diese Arbeit auf experimentelle Grundlagenuntersuchungen zum laminar-turbulenten Grenzsichtumschlag. Die Experimente wurden in der Grenzschicht einer ebenen, parallel angeblasenen, hydraulisch glatten Platte durchgeführt. Einen besonderen Schwerpunkt bildet die Abhängigkeit der Entwicklung der Instabilitäten, der sogenannten Tollmien-Schlichting Wellen, von deren Schräglaufwinkel zur Plattenvorderkante. Weiterhin wird der Einfluss zahlreicher Parameter wie z.B. des Schalldruckpegels und der Anregungsfrequenz diskutiert. Die Anregung der Tollmien-Schlichting Wellen erfolgte über periodisches Ausblasen / Ansaugen von Luft durch oberflächenbündige Schlitze quer zur Strömungsrichtung. Mit einem zeitlich hochauflösenden, restlichverstärkendem Kamerasystem konnten Aufnahmen der Strömungsvisualisierung erzielt werden, die unter anderem die zeitliche Entwicklung von Wirbelstrukturen (Lambda- Wirbel) zeigen. Zur Analyse der experimentell gewonnen Daten werden vergleichend Berechnungen nach der "Linearen Stabilitätstheorie" diskutiert. Einen weiteren Schwerpunkt bilden Untersuchungen zur aktiven Transitionskontrolle. Dabei wird der künstlich angeregten Tollmien Schlichting Welle eine gegenphasige Störwelle stromab überlagert. Es konnte nachgewiesen werden, das mit diesem Verfahren entsprechend des Superpositionsprinzips, die anfängliche Störamplitude der Tollmien Schlichting Welle deutlich reduziert wird. Es kommt zu einer fast vollständigen Störauslöschung. Untersuchungen im Nahfeld der Störeinkopplung, sowohl im Bereich der Anregnung als auch der gegenphasigen Dämpfungseinkopplung, zeigen deren Auswirkung auf die Entwicklung der Grenzschicht. / A sub-project of the working group III, "Transition Control" of the German Research Community's project "Transition", this paper is focused on experimental fundamental investigations in the field of laminar-turbulent transition. The experiments were carried out in the boundary layer of a flat plat with tangential blowing. The main topic is the development of instabilities, or so-called Tollmien-Schlichting Waves (TSWs), based on the oblique angle between the TSWs and the leading edge. In addition the influence of other parameters, including the sound-pressure level and the frequency of the TSWs are discussed. The instabilities are initialised by suction and blowing through flush, oblique slots in the surface of a flat plate. Pictures of the flow visualisation, recorded with a high-speed camera system, show the time-resolved development of structures (Lamda-Vortices) within the boundary layer. In order to analyse the experimental data, a comparison is made between it and numerical calculations corresponding to the Linear Instability Theory. Another main topic is the investigation of the active transition control. According to the Super Position Principle a second wave with opposite phase is superimposed on the TSW. It can be demonstrated that this technique works with oblique waves too. The initialised instabilities can almost completely be cancelled out. Investigations very close to the initialising slots of the TSW with a high special resolution show their influence on the development of the boundary layer.

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