Active control of trailing vortices by means of long- and short-wavelength actuation

Ein endlicher Flügel bildet stromab eine Wirbelschicht aus, welche sich ausrollt und einen starken Längswirbel generiert. Dieser Wirbel ist bekannt als Flügelspitzenrandwirbel. In dieser Dissertation wird die aktive Kontrolle dieser Randwirbel mittels lang- und kurzwelliger Anregung untersucht. Die kurzwellige Aktuation regt einerseits die sich aufrollende Scherschicht und deren Instabilitäten an. Somit konvektiert eine modifizierte Scherschicht in den Wirbelkern und beeinflusst somit Randwirbelstärke direkt an dessen Ursprung. Andererseits beeinflusst auch die gebundene, spannweitige Zirkulationsverteilung die Stärke und Position der Randwirbel. Dieser globale, langwellige Effekt ist quantifiziert für instationäre Strömungszustände. Beide Ansätze sind experimentell und theoretisch untersucht mit dem Ziel der Kontrolle der instationären Zirkulationsverteilung und letztendlich der Randwirbelstärke. Im letzten Schritt wird die Kontrollwirkung und deren Interaktion an einem realistischen, endlichen Flügel in instatioären Bedingungen mit Hilfe der Theorie von Betz quantifiziert. Stromab einer schrägen, halbspannweitigen Stufe wird experimentell ein freier Wirbel generiert. Dieser Aufbau ermöglicht die Beurteilung der Zirkulationskontrolle von Längswirbeln mittels lokaler, kurzwelliger Anregung. Somit wird der Randwirbel direkt am Ort dessen Entstehung kontrolliert. Die angeregte, sich aufrollende Scherschicht transportiert eine veränderte Menge und Wirbelstärke in den Wirbelkern und modifiziert somit den Längswirbel. Somit kontrolliert die lokale Anregung letztendlich die Randwirbelstärke. Messungen der Grundströmung an dieser neu entwickelten Geometrie weisen die Generierung eines Längswirbels auf. Strömungsvisualisierungen stimmen mit den Strömungsstrukturen von Flügelrandwirbel und weiteren Tütenwirbelstrukturen bekannt von Delta-Flügeln oder C-Säulen am "Ahmed body" überein. Die Zirkulation soll mit Hilfe von Anregung der Kelvin-Helmholtz Instabilität erfolgen. Die hoch drei-dimensionale Strömung und die stark gekrümmte Scherschicht und deren Instabilitäten kann nur mit transversaler Aktuation zufriedenstellend angeregt werden. Somit müssen die Aktuatoren, hier segmentierte Klappen, bei verschiedenen Amplituden, Frequenzen und Phasenwinkeln zu einander operieren. Das Design, die Entwicklung und die Tests des hier neu entwickelten Aktuationsansatzes sind in dieser Arbeit dokumentiert. Die vielversprechenden Ergebnisse zeigen eine hohe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit verschiedener Amplituden, Frequenzen und Phasenwinkel bis zu Frequenzen von 35Hz. Fast im gesamten Messbereich der synchronisierten, zeitauflösenden Oberflächendrucksensoren dominiert die Aktuationsfreqeunz das Spektrum. Ein direktes und fast lineares Antwortverhalten der Strömungsstrukturen in Abhängigkeit von der Anregungsfrequenz wird beobachtet und quantifiziert. Bei geringen Reynolds Zahlen liegt der Aktuationseffekt bei ca. 8%. Stärkere Kontrolleffekte werden vermutlich durch die schon voll-turbulent ausgebildete Grenzschicht stromauf der Hinterkante der Stufe verhindert, wenn gleich theoretisch deutlich unterkritische Reynolds Zahlen betrachtet werden. Dies macht eine exakte Anregung der Kelvin-Helmholtz Instabilität in laminarer Strömung unmöglich. Weiterhin wird ein theoretischer Ansatz basierend auf der Stabilitätstheorie vorgestellt, um die Frequenz der natürlichen Instabilität einer gekrümmten Scherschicht vorherzusagen. Vergleiche zu reibungsfreien und reibungsbehafteten zwei-dimensionalen Scherschichten zeigen eine gute Übereinstimmung. Eine Validierung mit Hilfe von 2.5-dimensionalen Scherschichten scheitert auf Grund fehlender Referenzwerte in der Literatur. Dennoch werden die drei Geschwindigkeitskomponenten der gekrümmten Scherschicht experimentell bestimmt und eine zeitliche Stabilitätsanalyse einer 2.5-dimensionalen Scherschicht wird durchgeführt. Der zweite Ansatz um die Randwirbelstärke zu kontrollieren ist langwellige Anregung. In diesem Szenario ist der gesamte Flügel mit instationären Effekten wie Nick- und Vertikalbewegung als auch einer oszillierenden Anströmung ausgesetzt. Die Wellenlängen dieser Instationaritäten sind um mehrere Größenordnungen größer als bei Kelvin-Helmholtz Instabilitäten. Dennoch hat die spannweitige Zirkulationsverteilung einen deutlichen Einfluss auf die Randwirbelstärke und deren Position. Daher ist eine präzise Vorhersage der Zirkulation von gebundenen Wirbeln entlang der Spannweite in instationären Zuständen von großer Wichtigkeit, obwohl bislang keine validierte Theorie existiert. Basierend auf der stationären Lösung von Kutta-Joukowski, welche eine ebene Platte in Potentialströmung betrachten, haben Theodorsen, Greenberg, Isaacs und van der Wall instationäre Randbedingungen wie z. B. Nick- und Vertikalbewegung als auch eine oszillierende Anströmung mit berücksichtigt. Auch wenn diese Theorien teilweise mehr als 70 Jahre alt sind, so existieren keine experimentellen Validierungen bei mittleren und hohen Anströmungsamplituden. Deshalb wird ein NACA 0018 Flügelprofil experimentell untersucht, welches dynamische Nickbewegungen ausführt und einer instationären Anströmung ausgesetzt ist. Die Experimente zeigen eine hohe Übereinstimmung zu den theoretischen Vorhersagen der instationären Zirkulationsentwicklung. Die Amplitude und der Phasenwinkel stimmen mit der Theorie von Isaacs und van der Wall bei einer Anströmamplitude von 50% gut überein. Weiterhin wird die nicht-lineare Interaktion zwischen simultaner Nickbewegung und oszillierender Anströmung experimentell bestätigt. Basierend auf diesen neuen experimentellen Validierungen werden die Theorien als korrekt angesehen. Außerdem wird die verallgemeinerte Theorie von Isaacs, welche von van der Wall formuliert wurde, erweitert um zusätzlich die instationäre Wirbelstärkeverteilung entlang der Flügelsehne vorherzusagen. Diese Erweiterung gibt einen detaillierteren Einblick in die Wirbelstärkenverteilung unter instationären Randbedingungen. Diese neu gewonnenen theoretischen Ergebnisse und die experimentelle, instationäre Druckverteilung zeigen eine gute Übereinstimmung bei allen Phasenwinkeln. Basierend auf diesen Messungen wird die hier präsentierte Theorieerweiterung als validiert betrachtet. Diese Validierung ermöglicht nun die benötige Bestimmung der instationären, spannweitigen Zirkulationsverteilung, welche die Randwirbelstärke und deren Position beeinflusst. Im letzten Schritt wird die Interaktion der spannweitigen und längsseitigen Zirkulation durch aktive Strömungskontrolle mit Hilfe der Erweiterung der Betz Theorie quantifiziert. Dabei wird gezeigt, dass schon bei geringen und moderaten, reduzierten Frequenzen die Variation der spannweitigen Lasten einen deutlichen Einfluss von mehr als 25% auf die Randwirbelstärke und deren Position hat. Diese instationäre, langwellige Interaktion ist vermutlich der Hauptgrund für einen beschleunigten Wirbelzerfall.

Author dc:creator

• Strangfeld, Christoph

Advisors dc:contributor.advisor

• Paschereit, Christian O.
• Greenblatt, David
• Woszidlo, Rene

Licence dc:rights.uri

• http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/

Language dc:language.iso

en, English

Identifier URI

urn:nbn:de:kobv:83-opus4-66259
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4456

OAI identifier oai:identifier

oai:depositonce.tu-berlin.de:11303/4753