Numerical and experimental analysis of flapping flight at low Reynolds numbers
Final Report Abstract
Durch eine geeignete Formulierung und Abstimmung des eingesetzte numerischen Strömungslösers konnten die bei der kleinen Reynoldszahl von Re=60.000 am Profil SD7003 auftretenden, großen laminaren Ablöseblasen über den gesamten Arbeitsbereich des Profil simuliert werden. Bei laminaren Ablöseblasen handelt es sich um ein Strömungsphänomen, welches typischer Weise bei kleinen Reynoldszahlen auftritt und bei welchem es noch vor der Transition von laminarer auf turbulente Strömung zu einer Strömungsablösung kommt. Dieses muss bei einer Simulation berücksichtigt werden, da durch die laminaren Ablöseblasen ein teils erheblicher, zusätzlicher Druckwiderstand erzeugt wird. In diesem Vorhaben wurde ein zur Bestimmung der Transitionslage laminar/turbulent bestehendes Verfahren dahingehend erweitert, dass es auch für den instationären Fall eines bewegten Profiles angewendet werden kann. Diese zunächst als Forschunghypothese formulierte Verfahrenserweiterung wurde durch den Vergleich zwischen durchgeführten Messungen und Rechnungen überprüft, wobei sich eine gute Übereinstimmung ergab. Das neue und überprüfte Verfahren konnte im folgenden für die Analyse des Schlagfluges verwendet werden. Dabei konnten Wirkungsgrade und Beiwerte für den 2D-Schlagflug unter Berücksichtigung der instationären Transition und der laminaren Ablöseblasen ermittelt werden. Durch einen Vergleich der berechneten Ergebnisse mit der reibungslosen Theorie konnten die durch durch den viskosen Impulsaustausch zusätzlich hervorgerufenen Verluste bestimmt werden. Für das SD7003 Profil haben sich keine grundlegenden Abweichungen von den aus der reibungslosen Theorie zu erwartenden Ergebnissen ergeben, sofern die Bewegungsparameter auf günstige Werte eingestellt wurden. Für weniger günstige Werte, wie z.B. eine reine Hubbewegung mit sehr großen Amplituden, wurden hingegen sehr große Abweichungen erhalten. Diese resultieren aus den dann stark auftretenden Strömungsablösungen. Durch die Anwendung der zeitaufgelösten Particle Image Velocimetry (PIV) konnten laminare Ablöseblasen für ein gesamtes 2D-Feld zeitgenau vermessen werden. In einer genauen Analyse ließen sich daraus insbesondere die dominanten Frequenzen und Amplituden der auftretenden Grenzschichtstörungen ermitteln. Diese Störungen sind von besonderem Interesse, da sie im Verlauf der Strömung stark angefacht werden und schließlich den Übergang von laminarer auf turbulente Strömung auslösen. In begleitenden numerischen Berechnungen wurden Forschungshypothesen bezüglich des Auftretens des sog. Flappings der laminaren Ablöseblasen untersucht.
Publications
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