Active Control for Transition Delay of Two Dimensional Boundary Layers in In-Flight Experiments

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Sven Grundmann
• Subject Area: Fluid Mechanics
• Term: from 2014 to 2020
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 247294283

• Final Report Year: 2019

Final Report Abstract

Aktive Strömungskontrolle in der laminaren Strömungsgrenzschicht kann die Wandreibung am Tragflügel durch Verzögerung der laminar-turbulenten Transition verringern. In dieser Arbeit wird die (re-)aktive Strömungskontrolle zur Dämpfung von Tollmien-Schlichting (TS) Wellen in einer zweidimensionalen laminaren Grenzschicht untersucht. Die TS-Wellen, welche die Transition einleiten, werden nach dem Superpositionsprinzip mit DBD Plasmaaktuatoren ausgelöscht. Die aktive Wellendämpfung setzt den Einsatz von Regelalgorithmen voraus, deren Stabilität von variablen Anströmbedingungen beeinflusst wird. Der Einsatz modellbasierter (Linear-Quadratic-Gaussian) und adaptiver Regelalgorithmen (ltered-x-LMS) wurde in Windkanal- und Flugexperimenten unter realistischen (variablen) Anströmbedingungen untersucht. Die Weiterentwicklung des delayed-x-LMS Algorithmus ermöglicht einen stabilen sowie robusten Betrieb des Reglers für die aktive Wellendämpfung im Flug. Die gewonnenen Ergebnisse wurden durch direkte numerische Simulationen sowie lineare Stabilitätstheorie validiert. Die Herausforderungen für den Einsatz von DBD Plasmaaktuator-Arrays zur Verzögerung der natürlichen Transition wurden im Projekt aufgezeigt. Für die Reduzierung der benötigten Rechenleistung wurde die Vereinfachung von Übertragungspfaden diskutiert.

Publications

• (2018) Cancellation of Tollmien–Schlichting Waves in Direct Vicinity of a Plasma Actuator. AIAA Journal 56 (5) 1760–1769
  Simon, Bernhard; Markus, Daniel; Tropea, Cameron; Grundmann, Sven
  
• (2015). Active flow control of laminar boundary layers for variable flow conditions. Int. J. Heat Fluid Flow, 56:344-354
  Simon, B., Nemitz, T., Rohlfing, J., Fischer, F., Mayer, D., and Grundmann, S.
  
• (2016). In-flight active wave cancelation with delaved-x-LMS control algorithm in a laminar boundary layer. Exp. Fluids, 57(10):1-16
  Simon, B., Fabbiane, N., Nemitz, T., Bagheri, S., Henningson, D. S., and Grundmann, S.
  
• (2016). IR thermography for dynamic detection of laminar-turbulent transition. Exp. Fluids, 57(5):1-12
  Simon, B., Filius, A., Tropea, C., and Grundmann, S.
  
• (2016). Towards in-flight applications? A review on DBD-based boundary-layer control. Appl. Mech. Rev., 68(2), 020802
  Kriegseis, J., Simon, B., and Grundmann, S.
  
• (2017). Active Cancellation of Tollmien-Schlichting Waves under Varying Inflow Conditions for In-Flight Application. PhD thesis, Technische Universität Darmstadt
  Simon, B.