Active flow control for leading-edge vortex configurations
Final Report Abstract
In diesem Projekt wurden zwei Mechanismen zur Wirbelbeeinflussung an einem generischen Deltaflügel im Hinblick auf die Beeinflussung der Deltaflügelaerodynamik untersucht. Durch periodische Anregung der abgelösten Scherschicht, zum einen mittels Klappenbewegung und zum anderen durch Ausblasen an der (scharfen) Vorderkante, werden typische instationäre Phänomene im Vorderkantenwirbelsystem gezielt beeinflusst, um das Wirbelaufplatzen zu verzögern oder das Wiederanlegen der Strömung zu erreichen. Die Analyse des Strömungsfeldes, der Oberflächendruckverteilung und der auftretenden aerodynamischen Lasten erfolgte sowohl experimentell als auch numerisch an einem generischen Deltaflügel (VFE-2-Geometrie), ohne und mit Strömungsbeeinflussung. Für die Windkanalmessungen wurden zwei Halbmodelle mit Aktuierung entwickelt und gefertigt. Das periodische Ausblasen geschieht durch Druckluft, Schnellschaltventile und in die Vorderkante integrierte Druckkammern. Beim Öffnen der Ventile strömt Luft in die Druckkammer und gelangt durch normal zum Flügel angeordnete Schlitzpaare in die Außenströmung. Der zweite Mechanismus besteht aus konturfolgenden Vorderkantenklappen, die von Linearmotoren angetrieben sind. Die zugehörige Messtechnikanwendung und Auswertemethoden konnten innerhalb des Projektes deutlich erweitert werden. Es fanden Korrelationsmessungen mit zwei Hitzdrahtsonden statt, um Raumzeitkorrelationen der Geschwindigkeitsfluktuationen zu analysieren. Die Stereo-PIV-Messtechnik wurde für Halbmodellmessungen angepasst und phasengemittelte PIV-Messungen durch die Synchronisation der periodischen Aktuierung mit der PIV-Triggereinheit realisiert. Seitens der Numerik wurde die aktive Kontrolle der Strömung in ANSYS/CFX realitätsgetreu modelliert und mit den Windkanaldaten validiert. Insgesamt konnte eine Vielzahl von Fällen und Parametervariationen untersucht werden, wodurch eine sehr umfangreiche Datenbasis vorliegt. Innerhalb der ersten Förderperiode konzentrierten sich die Untersuchungen auf den vollentwickelten und teilaufgeplatzten Vorderkantenwirbel. Die Anregungsfrequenz hat dabei einen entscheidenden Einfluss auf den Wirbelaufplatzvorgang. Die maximale Stromabverschiebung wird erzielt, wenn die Aktuierungsfrequenz der natürlichen spiralförmigen Instabilität entspricht. In der zweiten Förderperiode wurden die Untersuchungen auf höhere Anstellwinkel, nämlich den Stallund Poststall-Bereich, erweitert. Dabei ist der Vorderkantenwirbel komplett aufgeplatzt bzw. nicht mehr ausgebildet. Der Auftrieb kann bei diesen extremen Flugzuständen durch das periodische Ausblasen deutlich erhöht werden. Speziell im Poststall kann der Zerfall des Primärwirbels verzögert oder sogar unterdrückt werden, was zur signifikanten Erhöhung des Auftriebsbeiwerts und positiver Beeinflussung der Roll- und Nickstabilität führt. Die phasen- und frequenzangepasste Strömungskontrolle beeinflusst die aerodynamischen Eigenschaften weniger signifikant als die synchrone Aktuierung. Diese verursacht gemäß den phasengemittelten PIV-Daten und der CFD-Rechnungen frühzeitig diskrete Wirbel, die spiralförmig um ein Rotationszentrum rotieren und die Strömung stabilisieren. Die gewonnen Erkenntnisse sind in einen Konzeptentwurf für eine gesteuerte Aktuierung eingeflossen. Dabei erfolgt die Anregung abhängig vom Strömungszustand mit der optimalen Frequenz.
Publications
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