Experimentelle Untersuchungen zur Wirkungsweise gepulster Aktuatoren für die Beeinflussung turbulenter Grenzschichten mit positiven Druckgradienten im Reynoldszahlbereich bis Re-theta=20000
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel und Motivation dieses Forschungsprojektes war die Ableitung von Auslegungskriterien und die Verständniserweiterung für den Einsatz pneumatischer Wirbelgeneratoren zur aktiven Grenzschichtbeeinflussung bei hohen bzw. flugrelevanten Reynoldszahlen. Durch die systematische Untersuchung der erzeugten Wirbelstrukturen in Abhängigkeit der geometrischen Parameter, der erzeugten Ausblasedynamik und des Druckgradienten konnten die maßgeblichen Sensitivitäten dieser aktiven Beeinflussungsmethode für turbulenter Grenzschichten bei großen Reynoldszahlen bestimmt werden. Dadurch ist ein Beitrag für das wesentliche Verständnis der dynamischen Strömungsprozesse und die Grundlage für den Einsatz dieser Technologie im Bereich der Hochauftriebsaerodynamik von Verkehrsflugzeugen geschaffen worden. Ferner eignen sich die gewonnen Ergebnisse für einen Vergleich und eine Validierung numerischer Untersuchungen mit gleicher Zielsetzung und Randbedingungen. In diesem Vorhaben wurde eine ebenes Plattenexperiment mit einer Länge von 5.7 m und einem Verdrängungskörper für den Modellunteschallwindkanal Braunschweig entwickelt und gebaut, mit dessen Verwendung eine wandgebundene Grenzschichtströmung bis Reθ = 20000 ohne und mit Druckgradient realisiert werden konnte. Die strömungsmechanische Wechselwirkung der längsgerichteten Wirbelstrukturen, die durch ein angestellten Loch- und einen schräg gestellten Schlitzaktuator erzeugt wurden, und der turbulenten Grenzschicht wurde mit Hilfe von Laseroptischen Messmethoden bestimmt. Durch eine detaillierte Bewertung und Analyse der gemessenen Strömungsfelder können folgende Ergebnisse und Erkenntnisse dargestellt werden: Bei beiden Aktuatorvarianten ist das wandnahe Strömungsbild durch eine Stromlinienkrümmung zwischen Wirbelablöse- und Wiederanlegelinie hinter dem Aktuator gekennzeichnet, die stromab an Intensität veriiert. Die Wirbeltopologie des Lochaktuators ist schon kurz hinter dem Entstehungsort durch einen dominanten Wirbel geprägt, während im Fall des Schlitzakuatuors die zwei Startwirbel, die aufgrund der Öffnungsgeometrie entstehen und die Strahlfächeberanden, deutlich detektierbar. Der maximale Impulsgewinn in Wandnähe kann mit dem angestellten Loch unter einem Anstellwinkel von α = 45° und einem Schiebewinkel von β = 90° - 105° erzielt werden. Eine weitere Steigerung kann durch einen flacheren Anstellwinkel von α = [30,15]° herbeigeführt werden, wobei sich zunehmend eine Sättigung einstellt. Das angestellte Loch erweist sich dennoch als der effektivere Aktuator. Für den schräg gestellten Schlitz mit α = 90° ergibt sich ein maximaler Impulsgewinn in Wandnähe bei Schiebewinkeln von β = 10° - 20°. Dabei ist der Impulsgewinn sensitiv gegenüber der Schlitzgröße. Es konnte gezeigt werden, dass der Einsatz des gleichen Massenstromes mit einem kleineren Schlitz und einem Ausblaseverhältnis von λ ~ 5 zu einer größeren Wirkung führt, als die Verwendung eines größeren Schlitzes bei λ = 1.25. Ferner steigt mit Ausblaseverhältnis λ direkt die maximale Drehung des Wirbels, gleichzeitig wird aber auch der Abstand zur Modelloberfläche und die Größe erhöht. Wird die pneumatische Aktuatorik dynamisch betrieben können die zeitabhängigen Strömungsvorgänge in drei Phasen eingeteilt werden. Dabei unterscheidet sich die Strömungstopologie der induzierten Wirbelströmung im quasi stationären Teil nicht maßgeblich von dem Fall des statischen Ausblasens. Dieses ändert sich signifikant während des Anstart- und Abklingvorganges der periodisch wiederkehrenden Wirbelstruktur. Zum Einen kann beobachtet werden, dass Geschwindigkeitswerte in Hauptströmungsrichtung während des Startvorganges erzeugt werden, die höher sind, als der Wert der lokalen Außenströmung. Damit wird gezeigt, dass durch die Dynamik des Ausblasens eine gesteigerte Wirkung der Beeinflussungsstrategie erzeugt werden kann, als es im Fall des statischen Ausblasens möglich ist. Zum Zweiten wird festgestellt, dass durch die periodisch wiederkehrenden Wirbelstruktur, die speziell im Anstartvorgang mit der Erzeugung eines Verblockungsgebietes verbunden ist, nicht zu jedem Zeitpunkt eine positive Wirkung entfaltet. Im zeitlichen Mittel wird aber durch das dynamische Ausblasen bezogen auf den eingesetzten Massenstrom und im Vergleich zum statischen Ausblasen eine höhere Wirkung erzielt. Ferner haben die Untersuchungen zu den dynamischen Wirbelstrukturen ergeben, dass die charakteristischen Größen zur Beschreibung der Strömungsphänomene ein unterschiedliches dynamisches Verhalten aufweisen. Der Einfluss der erzeugten Wirbelstrukturen auf die Turbulenzcharakteristiken der Grenzschichtströmung konnte durch die statistische Betrachtung der Messergebnisse bestimmt werden. Dabei lassen die Ergebnisse den Schluss zu, dass die Wechselwirkung zwischen induzierter Wirbelstruktur und Grenzschichtströmung neben einer moderaten Turbulenzproduktion das temporäre Strömungsfeld durch großskalige Fluktuationen der induzierten Strukturen dominiert wird. Diese Erkenntnisse können zu einer numerischen Modellierung des Strömungsprozesses grundlegend beitragen. Die Sensitivitäten der erzeugten Wirbelstruktur auf einen Druckgradienten konnten durch zwei Testfälle mit unterschiedlicher Intensität des Druckgradienten und an zwei Positionen der Wirbelerzeugung relativ zum Druckminimum bestimmt werden. Es konnte gezeigt werden, dass die Wirbelstruktur im Bereich beschleunigter Strömung in ihrer Drehungsintensität verstärkt wird. Dieser Effekt kann auf das veränderte Geschwindigkeitsprofil der Grenzschicht zurückgeführt werden, auf das der Aktuatorstrahl wirkt. Tritt eine Verzögerung der Strömung ein, wirkt sich das direkt auf die Größe, Position und Wirkung der Wirbelstruktur aus. Dabei nehmen der Abstand des Wirbelzentrums relativ zur Modelloberfläche sowie die Größe des Wirbelzentrums ähnlich wie die Entwicklung der Grenzschichtdicke bei positiven Druckgradienten schneller zu, als es im Fall ohne Druckgradient beobachtet werden konnte. Der Effekt der induzierten Wirbelstruktur wird durch die Verzögerung der Hauptströmung verstärkt. Der Grund liegt darin, dass der Impulstransport sich über eine gewisse Wirklänge vollzieht und sich die Wirkung entfaltet, während der Druckgradient die Verzögerung der Hauptströmung hervorruft.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- "Effects of Periodic Excitation on the Characteristics
of a Turbulent Boundary Layer", 5th Int. Symp. on Turbulence, Heat and Mass Transfer,
Dubrovnik, Croatia, Sept. 25-29, 2006
Ortmanns J., Bitter M., Kähler C.J.
- "Untersuchungen dynamischer Wirbelstrukturen in
einer turbulenten Grenzschicht an einer ebenen Platte mit 3C2D- PIV.", 13. Fachtagung
der Deutschen Gesellschaft für Laser-Anemometrie GALA e.V. Braunschweig,
September 5-7, 2006.
Bitter M., Ortmanns J., Kähler C.J.
- "Visualization and Analysis of Dynamic Vortex
Structures for Flow Control Applications by Means of 3C2D-PIV", 12th International
Symposium on Flow Visualization - ISFV 12, Göttingen, Germany, September 10-14,
2006.
Ortmanns J., Bitter M., Khler C.J.
- "Wall-shear-stress and near-wall turbulence
measurements up to single pixel resolution by means of long-distance micro-PIV", Exp.
Fluids 41, 2006.
Kähler C.J., Scholz U., Ortmanns J.
- "A Flat Plate Experiment for Investigations of
Vortex Generator Jets at high Reynolds Number", New Results in Numerical and
Experimental Fluid Mechanics VI, NNFM 96, C. Tropea, S. Jarikrlic, H.J. Heinemann, R.
Henke, H. Hönlinger, Springer-Verlag, Beriin Heidelberg New York, 2007.
Ortmanns, J.; Kähler C.J.; Radespiel, R.
- "A single round vortex generator jet at high Reynolds
numbers", 9th Int Symp. on Fluid Control, Measurements and Visualization,
Tallahassee, USA, 16.-19. Sept., 2007.
Ortmanns J., Kähler C.J.
- "Towards Active Control of Leading Edge Stall by Means of Pneumatic Actuators", Active Flow Control, NNFM 95, R. King, Springer-Veriag, Beriin Heidelberg New York, 2007.
Kähler C.J., Scholz P., Ortmanns J., Radespiel R.
- “The effect of a single vortex generator jet on the
characteristics of a turbulent boundary layer”, Int. Journal of Heat and Fluid Flow,
Volume 28, Issue 6, Dec. 2007, pp. 1302-1311
Ortmanns J., Kähler C.J.
- "Perspective of intrusive and non-intrusive flow-control concepts and their
measurement", Habilitation, TU Braunschweig, 2008.
Kahler, C.J.
