Großer Wasserkanal
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der Große Wasserkanal Braunschweig (GWB) ist 11/2010 in Betrieb genommen worden. Die Wieder-Inbetriebnahme nach dem Umzug datiert auf Mitte 2012. Zur wissenschaftlichen Qualifizierung der Strömungsqualität wurden mit Hilfe von Drucksensoren die Verteilung des dynamischen Druckes längs der Messstrecke sowie in verschiedenen Querschnitten durch statische Druckstellen und durch Prandtl-Sonden bestimmt. Hierfür wurde eine entsprechende Einrichtung zur Traversierung der Sonde(n) konstruiert und erstellt, sowie modulare Seitenwand-Einsätze. Zusätzlich wurde die Strömung durch ein PIV-System in verschiedenen Schnitten optisch vermessen. Aus den Messungen zur Qualifizierung ergab sich die Notwendigkeit einer effizienten Entlüftung des Kanals nach einem Leeren der Messstrecke, eines leistungsstarken Filtersystems sowie von Einrichtungen zur Reinigung der Vorkammer. Nach diesen Maßnahmen ist die Strömungsqualität des Großen Wasserkanals vergleichbar zu der von Windkanälen nach dem Stand der Technik. Im Rahmen des SFB 880 wurden vom Teilprojekt B1 Messungen an einem Profil mit Zirkulationskontrolle durchgeführt. Das Profil weist einerseits eine konturstetig abgesenkte Vorderkante, sowie eine stark ausgeschlagene Hinterkantenklappe auf. Die Strömung entlang der Hinterkante wird mit einem Wandstrahl anliegend gehalten (Zirkulationskontrolle). Das Profilmodell ist aus Edelstahl CNC gefräst. Das für den Wandstrahl notwendige Druckwasser wird von einer mehrstufigen Pumpe bereitgestellt. Für die Messung der statischen Druckverteilung wurden in dem Profilmodell statische Druckmessbohrungen eingebracht, die durch eine 64-Kanal Druckmessanlage (vom ISM für den GWB entwickelt und gebaut) aufgenommen wurden. Aus der Druckverteilung wird durch Integration der Auftriebsbeiwert ermittelt. Das Profil erzeugt einen maximalen Auftriebsbeiwert von etwa ca=4.7 bei einem Impulsbeiwert (Stärke des Wandstrahls) von cµ=0.03. Aufgrund der spezifischen Eigenschaften (Strömung mit Wasser, bedruckt) können in dem Wasserkanal vergleichsweise hohe Reynoldszahlen bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten erreicht werden. Der Kanal ist damit prädestiniert für zeitauflösende optische Messmethoden. An dem o.g. Profil wurden die an der ablösenden Klappe entstehenden Wirbelstrukturen mit einem Hochgeschwindigkeits-PIV-System zeitaufgelöst vermessen. Die daraus erhältlichen Daten eigenen sich, um daraus Ansätze für eine direkte Regelung der aktiven Strömungsbeeinflussung zu entwickeln. In Semaan et al. (2014) werden die gemessenen Strömungsfelder über die Proper Orthogonal Decomposition (POD) und einer Galerkin-Projektion in ein Modell niedrigerer Ordnung überführt. Das reduzierte Modell basiert auf einer Regression von Wirbelfrequenz und Oszillationsamplitude mit der Anregeintensität und ist somit - da es einzig die integrale Anregeintensität als Parameter benötigt - weitgehend generalisierbar. Ferner wurde im Detail untersucht, welche minimale Aufnahmefrequenz bei den Randbedingungen im Großen Wasserkanal notwendig ist, um eine angemessene Repräsentation der Dynamik in dem reduzierten Modell zu erhalten. Aus diesen Ergebnissen werden in zukünftigen Arbeiten Regler entwickelt und im Kanal getestet, die eine erhebliche Steigerung der Effizienz des Wandstrahls versprechen. Neben dem oben diskutierten Reglerentwurf ist der Kern zu einer geschlossenen Regelung der Strömung ein System aus Aktor(en) und Sensoren. Dieses System wird im SFB880 durch das Teilprojekt B2 in Kooperation mit dem ISM entwickelt. Dabei wurde eine durch Piezokeramiken formvariable "Lippe" aufgebaut, die in der Lage ist, den Wandstrahl zu modulieren. Der hohe Wasserdruck erfordert dabei einen komplexen Aufbau der Lippe aus Edelstahl mit eingelassenen Keramiken. Als zugehörige Sensorik werden spezielle, miniaturisierte, kombinierte Druck- und Wandschubspannungssensoren entwickelt, die sich oberflächenbündig in ein Modell einpassen lassen. Bei den Entwürfen der Aktoren und Sensoren wurden die besonderen Randbedingungen im großen Wasserkanal stets berücksichtigt. Es sind zunächst Versuche mit gesteuerter Strömungsbeeinflussung, dann auch Versuche mit Strömungsregelung vorgesehen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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"Der Große Wasserkanal GWB - Eine Versuchsanlage für zeitauflösende Messungen bei großen Reynoldszahlen". DLRK-Paper Nr. 2013-1290, 62. Deutscher Luft- und Raumfahrt Kongress, 10.-12. Sep 2013, Stuttgart
Scholz, P., Sattler, S., Wulff, D.
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"A Generalized Reduced-Order Model of Flow around an Airfoil with Circulation Control". AIAA 2014-2517, AIAA Aviation Konferenz, 16.-20. Juni 2014, Atlanta, USA
Semaan, R., El Sayed, Y., Sattler, S., Sultana, K., Burnazzi, M., Scholz, P., Radespiel, R.
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"Design of a high-lift experiment in water including active flow control". Smart Materials and Structures, Vol. 23,077004 (10pp), 2014
Beutel, T., Sattler, S., El Sayed, Y., Schwerter, M., Zander, M., Büttgenbach, S., Leester-Schädel, M., Radespiel, R., Sinapius, M.
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"Time-Resolving PIV for Closed-Loop Flow Control: A Dedicated Experiment". 17th International Symposium on Application of Laser Techniques to Fluid Mechanics, 7.-10. Juli 2014, Lissabon, Portugal
Scholz, P., El Sayed, Y., Sattler, S., Semaan, R.
