Ablösebeeinflussung mit Luftstrahl-Wirbelgeneratoren-Arrays in transsonischen und supersonischen Strömungen

• Antragstellerin: Dr.-Ing. Anne-Marie Schreyer
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung seit 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 326485414

Stoß-induzierte Strömungsablösung beeinflusst das aerodynamische Verhalten vieler Luft- und Raumfahrtanwendungen, von transsonischen Tragflügelprofilen und luftatmenden Überschallantrieben bis zu Kontrollflächen an Hyperschallflugzeugen. Diese stark instationären Strömungen verursachen Einlaufinstabilitäten, sowie Buffeting und Materialermüdung. Aufgrund der Bedeutung solcher Strömungen für Luft- und Raumtransportsysteme wurden große Anstrengungen unternommen, Methoden zur Ablösebeeinflussung zu entwickeln. Diese Emmy Noether-Gruppe untersucht eine vielversprechende neue Technik: Luftstrahl-Wirbelgeneratoren (AJVGs). Ein Array kleiner, kontinuierlicher Luftstrahlen induziert Wirbel, die die turbulente Durchmischung und den Energieaustausch in der Grenzschicht anfachen. Dadurch werden die Ablösegebiete verkleinert und die begleitenden Instationaritäten verringert. AJVGs haben große Vorteile: Im Gegensatz zur Grenzschichtabsaugung reduzieren AJVGs den Antriebsmassenstrom nicht. Das System ist einfach, aber flexibler als mechanische Wirbelgeneratoren und kann auch ausgeschaltet werden. Es wurden Fortschritte in der Erzeugung des nötigen Wissens über AJVG-Kontrolle für 2D Stoß-Grenzschicht-Wechselwirkungen (SWBLI) erzielt. In den meisten Anwendungen sind die Geometrie und auch die Strömung jedoch dreidimensional und daher deutlich komplexer. Die für Beeinflussung empfänglichen Mechanismen in 3D SWBLI, ebenso wie effektive Kontrollmechanismen und –parameter, sind noch unklar. In dieser Projektphase führen wir daher die im Gesamtprojekt verfolgte systematische Steigerung der Komplexität fort: nach nominell 2D Wechselwirkungen und dem anschließenden Hinzufügen einzelner 3D-Einflüsse (Seitenwände, Wölbung), untersuchen wir nun AJVG-Beeinflussung von vollständig dreidimensionalen schiefen Kompressionsrampen. Kernziele dieser Projektphase sind 1) das Beschreiben des Einflusses von AJVG auf 3D SWBLI und die Identifizierung von Kontrollparametern, 2) das Verstehen der Einflüsse der AJVG auf die physikalischen Mechanismen und 3) das Entwickeln einer Beeinflussungsstrategie. Wir verwenden experimentelle und numerische Verfahren in enger Vernetzung. Das in einer vorigen Projektphase entwickelte Stereo-Dual-Particle-Image-Velocimetry-System liefert Geschwindigkeitsfelder, die auch Zeitinformationen beinhalten. Large-Eddy-Simulationen erzeugen zeitaufgelöste Strömungsfelder und geben Einblicke in die Detailströmung der AJVGs. Kombiniert mit fortgeschrittenem Post-Processing (unter anderem Dynamic Mode Decomposition), werden das Verhalten turbulenter Strukturen und dynamische Mechanismen im Strömungsfeld erschließbar. Durch Erzeugen des nötigen Wissens über Ablösebeeinflussung mit Luftstrahl-Wirbelgeneratoren und dem Beitrag zum grundlegenden Verständnis der zugehörigen komplexen Strömungen, trägt diese Emmy Noether-Gruppe zur Schaffung der Voraussetzungen für spannende, neue Luft- und Raumtransportkonzepte und erschwinglichen Zugang zum Weltraum bei.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen