Bäuerlein, Bastian Hannes (2026) Experiments on Oscillatory and Pulsatile Particle-Laden Flows: Resonance and Turbulence Transition. PhD, Universität Oldenburg.

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Abstract

This work experimentally investigates nonlinear dynamics in periodically forced fluid flows across two systems. First, the transition to turbulence in a pulsatile particle-laden pipe flow is studied via a novel experiment setup using 3D Lagrangian Particle Tracking. Results demonstrate that turbulence emerges as intermittent patches governed by steady pipe flow mechanisms. This onset is dominated by the advective timescale, revealing a universal regime that remains consistent across waveforms and perturbation mechanisms. Second, liquid sloshing resonance in a rectangular container is analyzed to evaluate modeling approaches. While multimodal analytical models and a Duffing oscillator capture low-amplitude waves, both fail at larger resonant amplitudes due to unaccounted nonlinear dissipation, indicated by a phase lag discrepancy. A data-driven spectral submanifold theory successfully captures these complex nonlinear effects.

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Experimente zu oszillierenden und pulsierenden, partikelbeladenen Strömungen: Resonanz und Übergang zur Turbulenz

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Diese Arbeit untersucht die nichtlineare Dynamik in periodisch erzwungenen Fluidströmungen anhand von zwei experimentellen Systemen. Zuerst wird der Übergang zur Turbulenz in einer pulsierenden, partikelbeladenen Rohrströmung durch einen neuartigen Versuchsaufbau und Lagrangesches 3D-Partikel-Tracking untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass Turbulenz in intermittierenden Strukturen auftritt, die den Mechanismen stationärer Rohrströmungen folgen. Für verschiedene Wellenformen und Störungsmechanismen gilt das gleiche Regime, dominiert von der advektiven Zeitskala. Zweitens wird das resonante Flüssigkeitsschwappen in einem rechteckigen Behälter analysiert, um Modellierungsansätze zu bewerten. Während ein analytisches multimodales Modell und ein Duffing-Oszillator nur geringe Amplituden erfassen, versagen beide bei größeren Resonanzen wegen unberücksichtigter nichtlinearer Dissipation, gezeigt durch die Phasenverschiebung. Die Spectral Submanifold Theory erfasst diese Effekte erfolgreich.

Item Type:	Thesis (PhD)
Uncontrolled Keywords:	Fluid mechanics, Turbulence, Pipe flow, Resonance, Liquid sloshing
Divisions:	Faculty of Mathematics and Science > Institute of Physics (IfP)
Date Deposited:	06 Jul 2026 11:37
Last Modified:	06 Jul 2026 11:37
URI:	https://oops.uni-oldenburg.de/id/eprint/7472
URN:	urn:nbn:de:gbv:715-oops-75537
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