Dynamik und Instabilitäten helixförmiger Wirbelpaare
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Strömungsfeld hinter aerodynamisch wirksamen Rotoren wie bspw. in der Anwendung beim Helikopter oder der Windkraftanlage ist charakterisiert durch die Präsenz großskaliger Wirbelstrukturen, die durch eine Wirbelachse in Form einer Helix gekennzeichnet sind. Die Anzahl dieser Wirbel ist proportional zur Blattzahl des betreffenden Rotors. Neben dem Einfluss auf die Rotorströmung hat die Präsenz dieser Wirbel im Nachlauf ebenfalls unerwünschte Effekte in Bezug auf nachfolgende Interaktionseffekte. Im Falle des Helikopters kann der Nachlauf abhängig vom Flugzustand in einen sicherheitskritischen Zustand übergehen, den Vortex Ring State. Weiterhin führt die Interaktion der konzentrierten Blattspitzenwirbel mit dem nachfolgenden Rotorblatt zu instationären Lastwechseln, die in eine impulsive Geräuschemission münden (Blade-Vortex-Interaction, BVI). In Windfarmen bestehend aus mehreren Turbinen mindert die Präsenz der Wirbel das Ertragspotential von stromab positionierten Anlagen durch eine nicht optimale Anströmung und eine zeitlich verzögerte Regeneration der Strömung, die auf die nachfolgende Turbine trifft. Gewisse Wirbelparameter, wie bspw. der Wirbelkernradius oder die maximale Umfangsgeschwindigkeit, beeinflussen die Stärke der beschriebenen Interaktionsmechanismen. Deshalb werden multiple technische Ansätze mit aktiven und passiven Systemen verfolgt, um den schädlichen Einfluss der langlebigen Wirbel zu minimieren. Primäres Ziel ist hierbei, die entscheidenden Parameter zu modifizieren, also einen größeren Kernradius bei gleichzeitiger Reduktion der Umfangsgeschwindigkeit zu erreichen, bevor eine Interaktion mit nachfolgenden Strukturen erfolgen kann. Im Rahmen des TWIN-HELIX Projekts soll dieser Effekt mittels künstlicher Induktion und verstärkten Anfachraten von Instabilitätsmechanismen erreicht werden. Wirbelsysteme können von einer Vielzahl von Instabilitätsphänomenen beeinflusst werden, die einen beschleunigten Zerfall der definierten Kernstruktur zur Folge haben. Basierend auf dieser physikalischen Gegebenheit stellt die künstliche Anfachung bzw. die Auslösung solcher Mechanismen eine vielversprechende Möglichkeit dar, die obengenannte Zielsetzung erreichen zu können. Der TWIN-HELIX Ansatz verfolgt eine neuartige Herangehensweise, bei dem der einzelne Wirbel durch eine veränderte Blattspitzengeometrie in ein Wirbelpaar aufgeteilt wird, welches nachfolgend miteinander interagiert. Dieses Konzept wurde durch eine spezielle Geometrie inspiriert, die auf einem ähnlichen Effekt beruht und vielversprechende Ergebnisse in Bezug auf BVI Reduktion zeigen konnte. Das Forschungsvorhaben TWIN-HELIX zielte auf ein tieferes Verständnis in Bezug auf die Interaktionsphänomene in den beschriebenen Wirbelsystemen in Bezug auf kooperative Instabilitätsmechanismen und Wirbelverschmelzung. Dafür wurden umfassende experimentelle, numerische und theoretische Untersuchungen durchgeführt, um relevante physikalische Zusammenhänge und vielversprechende Wirbelsysteme zu identifizieren und die zugrundeliegenden Phänomene zu analysieren. Die im Projekt erzielten Ergebnisse bieten neue Ansätze für innovative Designs der Rotorblattspitze, um die negativen Effekte der konzentrierten Blattspitzenwirbel zu minimieren.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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A strongly-coupled model for flexible rotors. Journal of Fluids and Structures, 89, 219-231.
Durán Venegas, E.; Le Dizès, S. & Eloy, C.
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Generalized helical vortex pairs. Journal of Fluid Mechanics, 865, 523-545.
Durán Venegas, E. & Le Dizès, S.
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Experimental investigation of a rotor blade tip vortex pair. CEAS Aeronautical Journal, 13(1), 97-112.
Schröder, Dominic; Aguilar-Cabello, Jorge; Leweke, Thomas; Hörnschemeyer, Ralf & Stumpf, Eike
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Experiments on helical vortex pairs in the wake of a rotor. AIAA Scitech 2021 Forum. American Institute of Aeronautics and Astronautics.
Schröder, Dominic; Leweke, Thomas; Hörnschemeyer, Ralf & Stumpf, Eike
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Instability and merging of a helical vortex pair in the wake of a rotor. Journal of Physics: Conference Series, 1934(1), 012007.
Schröder, D.; Leweke, T.; Hörnschemeyer, R. & Stumpf, E.
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Joukowski’s wake model for tip-splitting rotors. Journal of Physics: Conference Series, 1934(1), 012005.
Castillo-Castellanos, A.; Durán Venegas, E. & Le Dizés, S.
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Structure and stability of Joukowski's rotor wake model. Journal of Fluid Mechanics, 911.
Durán Venegas, E.; Rieu, P. & Le Dizès, S.
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Generation of a wingtip vortex pair using a pressure-side fin. Aerospace Science and Technology, 130, 107860.
Schröder, Dominic; Leweke, Thomas; Hörnschemeyer, Ralf & Stumpf, Eike
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High-speed volumetric particle tracking measurements of unstable helical vortex pairs. Experiments in Fluids, 64(8).
Schröder, Dominic; Leweke, Thomas & Stumpf, Eike
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Time-resolved volumetric particle tracking measurements of an unstable helical vortex pair. AIAA SCITECH 2023 Forum. American Institute of Aeronautics and Astronautics.
Schröder, Dominic; Leweke, Thomas & Stumpf, Eike
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Implementation and Testing of a Novel Rotor Design Methodology. Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt - Lilienthal-Oberth e.V.
Pissarski, N.A.; Schröder, D. & Stumpf, E.
