Numerical Investigations on the Influence of Sweep Angle on Laminar Separation Bubbles in a 3-D Boundary Layer
Final Report Abstract
Bei niedrigen Reynoldszahlen und ansteigendem Druck neigen laminare Grenzschichten zur Ablösung von der Wand. Kommt es weiter stromab zu einem Wiederanlegen der Strömung an die Körperoberfläche, bildet sich ein lokales Rezirkulationsgebiet, eine so genannte laminare Ablöseblase aus. Da diese die Druckverteilung um den umströmten Körper verändert, zusätzlichen Lärm hervorruft und den Widerstand zum Teil erheblich erhöht, ist man am Verständnis, der Vermeindung und der Kontrolle von Ablöseblasen interessiert. Während, dank verstärkten Forschungsanstrengungen in den letzten Jahren, viel über laminare Ablöseblasen in ebenen Grenzschichten bekannt ist, waren Aufbau und Verhalten schräg (bzw. schiebend) angeströmter Ablöseblasen aufgrund der dann zusätzlich auftretenden Schwierigkeiten bislang nahezu unerforscht. In vielen technisch wichtigen Anwendungen, etwa an Hochauftriebshilfen und Tragflügeln moderner Verkehrsflugzeuge, treten Ablöseblasen allerdings natürlicherweise in schiebender Anströmung auf. Ziel des vorliegenden Projektes war daher die systematische Untersuchung, Visualisierung und Dokumentation des Einflusses eines steigenden Schiebewinkels auf laminare Ablöseblasen. Numerische Transitionsexperimente mittels räumlicher direkter numerischer Simulation eröffnen dabei einen realistischen Einblick in die einzelnen Stadien der Strömungsentwicklung. Die wichtigsten Ergebnisse zu schiebenden Ablöseblasen im Überblick: Aufbau: Topologisch betrachtet handelt es sich bei diesen, unabhängig vom Schiebewinkel, um vorderkanten-parallele Stromröhren mit spannweitigem Ausfluss und helikaler Strömungsbewegung im Inneren, wobei die Ablösung an derselben Stromabposition wie bei der entsprechenden nicht schiebenden Konfiguration stattfinden muss. Dies konnte durch einen parallel im Laminarwindkanal des IAG Stuttgart durchgeführten Versuch auch experimentell bestätigt werden. Transitionsstadien: Die untersuchten, fundamentalen Transitionsszenarien zeigen qualitativ eine ganz ähnlich Abfolge von Transitionsstadien wie der ebene (nicht schiebende) Vergleichsfall, die sich allerdings nun in Potentialstromrichtung vollziehen. Effektivste Störwellen: Der laminar-turbulente Strömungsumschlag stellt sich als eine "Oblique K-Typ-Transition" mit charakteristischen Λ-Wirbeln dar. Tollmien-Schlichting-Wellen (TS-Wellen), die sich in Potentialstromrichtung ausbreiten, zeigen die stärkste lineare Störungsanfachung. Sie lösen die stärkste Resonanz von Hintergrundstörungen und damit die früheste Transition aus. Eine Steigerung des Schiebewinkels innerhalb dieser effektivsten Störungsklasse bewirkt eine Stromaufverschiebung der Transitionslage. Querströmungsinstabilitäten: In kombinierten Störszenarien mit TS-Wellen und den in schiebender Konfiguration neu auftretenden Querströmungswirbeln konnte in der gegebenen Konfiguration kein prägender Einfluss der Querströmungswirbel auf die Transition festgestellt werden. Einsatz der "eN-Methode": Der Einsatz der in der Industrie häufig zur Transitionsvorhersage verwendeten "eN-Methode" ist auch in schiebenden Ablöseblasen zulässig.
Publications
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Interaction of Separation and Transition in Laminar Separation Bubbles in a 3DBoundary Layer. NATO conference AVT-111 in Prague, Czech Republic, Oct. 2004
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Laminar Separation Bubbles in Swept 3D-Boundary-Layer Flow. Jahrestagung der Gesellschaft für Mathematik und Mechanik (GAMM) in Dresden, März 2004
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Möglichkeiten und Grenzen linearer Stabilitätstheorie und linearer PSE-Verfahren in schiebend angeströmten Ablöseblasen, 14. DGLR/STAB-Symposium in Bremen, Nov. 2004
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Struktur und Stabilität dreidimensionaler, laminarer Ablöseblasen an der unendlichschiebenden Platte, 13. DGLR/STAB-Symposium in München, Nov. 2002
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T. Hetsch, U. Rist (2004): On the Structure and Stability of Three-Dimensional Laminar Separation Bubbles on a Swept Plate. In: C. Breitsamter, B. Laschka, H.J. Heinemann, R. Hilbig (Eds.): New Results in Numerical and Experimental Fluid Mechanics IV, Proceedings of the 13th DGLR/STAB-Symposium, Munich 2002. NNFM, Vol. 87, Springer, pp. 302-310.
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T. Hetsch, U. Rist (2005): The Effect of Sweep on Laminar Separation Bubbles. In: R. Govindarajan (Ed.): Sixth IUTAM Symposium on Laminar-Turbulent Transition, Proc. IUTAM-Symp. Bangalore, India, 2004, Fluid Mechanics and its Applications, Vol. 78, Springer-Verlag, 395-400, 2006
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The Effect of Sweep on Laminar Separation Bubbles. 6th IUTAM-Symposium on Laminar- Turbulent Transition in Bangalore, India, Dec. 2004
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Tilman Hetsch: Schiebewinkeleinflüsse auf druckinduzierte, laminare Ablöseblasen in dreidimensionalen Grenzschichten. Dissertation, Universität Stuttgart, eingereicht Oktober 2005.
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Zur Bestimmung der angefachtesten Störungen in laminaren Ablöseblasen dreidimensionaler Grenzschichten, STAB-Workshop, Göttingen, Nov. 2003
