Experimentelle und numerische Untersuchungen zum Wirbelzerfall im rotierenden System

• Antragsteller: Dr. Manuel Keßler; Professor Dr.-Ing. Markus Raffel
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 490853673

Das Projekt beschäftigt sich mit dem Zerfallsprozess von Blattspitzenwirbeln, welcher einen entscheidenden Einfluss auf die Leistungsfähigkeit von Rotoren – beispielsweise Hubschrauber- oder Windkraftrotoren – hat. Das Verständnis der beteiligten Mechanismen und eine präzise numerische Vorhersagefähigkeit ist daher ein wichtiger Schlüssel zum aerodynamischen Entwurf zukünftiger Rotorsysteme. Der vorliegende Nachfolgeantrag basiert auf den Erkenntnissen des Vorgängervorhabens zur Untersuchung von Sekundärwirbeln, welche die primären Blattspitzenwirbel mit zunehmendem Alter auf S-förmigen Kurvenzügen umgeben. Die zweite Förderperiode soll ein besonderes Augenmerk auf die Alterung und den Zerfall der Primärwirbel legen. Während die Diffusion eines rein laminaren Wirbels vollständig verstanden ist, folgen aus dem Auftreten von Turbulenz weiterhin Unsicherheiten. In semi-empirischen Modellen wird die Turbulenz über eine Reynoldszahl-abhängige Wirbelviskosität modelliert. Die Literatur belegt jedoch eine große Unsicherheit bei der Quantifizierung dieser Viskosität, welche je nach Quelle um mehrere Größenordnungen variieren kann. Der kombiniert experimentelle (DLR Göttingen) und numerische (IAG Stuttgart) Ansatz wird beibehalten, um die Mechanismen der Wirbelalterung auf Basis der im Folgenden beschriebenen drei Säulen besser zu verstehen. Die erste Säule basiert auf einer präzisen Isolierung des Skaleneffektes. Dazu wird ein Modellrotor in den Hochdruckkanal Göttingen (HDG) integriert, welcher eine Variation des Ruhedruckes und damit der Reynoldszahl um den Faktor 100 ermöglicht. Durch Verwendung eines gleichbleibenden Rotors werden Unsicherheiten reduziert, welche aus der sonst üblichen geometrischen Skalierung resultieren (z.B. Vergleich Modellrotor mit frei fliegendem Hubschrauber). Die zweite Säule basiert auf einer Berücksichtigung der Sekundärstrukturen, welche über die Blattfolgefrequenz unabhängig von der Reynoldszahl variiert werden können. Fasst man die Sekundärwirbel nun als einen Fluidtransport in radialer Richtung des Primärwirbels und somit als Wirbelalterung auf, kann die Hypothese aufgestellt werden, dass dieser wenig beachtete Mechanismus einen Teil der bisherigen Modellunsicherheiten erklärt. Drittens werden die Experimente im HDG nicht nur mit einem antreibenden, sondern auch einem durch die Strömung angetriebenen Rotor im „windmühlenartigen“ Betrieb durchgeführt. Dies bedingt die Aufweitung des Rotornachlaufes und somit eine axiale Streckung der Blattspitzenwirbel, im Gegensatz zur Wirbelstauchung bei antreibenden Rotoren. Dieser Effekt verzögert die Wirbelalterung, was in bisherigen Modellen nur unzureichend berücksichtigt ist. Durch präzise Abbildung der experimentellen Strömungsbedingungen und Geometrien in den numerischen Simulationen wird nicht nur ein hoher Erkenntnisgewinn über wirbelbehaftete Strömungen erwartet, sondern auch erweiterte „Best Practices“ zur Durchführung von strömungsmechanischen Untersuchungen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Privatdozent Dr.-Ing. Claus Christian Wolf