Vortex Design by Tip Shaping
Final Report Abstract
Im Rahmen dieses Projektes sollte ein tiefgehendes Verständnis zur Entstehung der variablen Axialgeschwindigkeit in Flügelrandwirbeln und deren Einfluss auf Wirbelinstabilitäten im Nahfeld sowie auf das maximale Auftriebs-zu-Widerstand-Verhältnis geschaffen werden. Dazu wurden Stereo PIV Messungen und Sichtbarmachung im Wasserkanal, Waagen- und Hitzdrahtmessungen im Windkanal sowie numerische Simulationen durchgeführt. Insbesondere die konsequente Ergänzung mit numerischen Daten sollte dazu dienen die gemessenen Datensätze zu vervollständigen und ein tieferes Verständnis des vollständigen, dreidimensionalen Aufrollvorgangs zu ermöglichen. Eine Validierung der numerischen Simulationen und des verwendeten Reynoldsspannungs- Turbulenzmodell (SSG-LRR-ω) ist in diesem Zusammenhang nur teilweise gelungen. Qualitativ geben die Ergebnisse aus den Simulationen die experimentell beobachteten Vorgänge gut wieder, allerdings verbleibt ein quantitativer Unterschied der Axial- und Rotationsgeschwindigkeiten zum Experiment. Nichtsdestotrotz stellt die Verwendung dieses Turbulenzmodells eine wesentliche Verbesserung gegenüber den häufig verwendeten Wirbelviskositätsmodellen dar. Mittels Sichtbarmachung konnte im Nachlauf der geometrisch verschiedenen Randkappen eine plötzliche Aufweitung der Wirbellinie gezeigt werden. Eine Parameterstudie führte zu dem Ergebnis, dass diese Aufweitung bei zunehmendem Anstellwinkel stromauf verschoben wird. Mittels Stereo PIV und numerischer Simulation, konnte dargestellt werden, dass diese Aufweitung mit einer deutlichen Verzögerung der Axialgeschwindigkeit einher geht und damit ähnlich zum in der Literatur beschriebenen blasenförmigen Wirbelaufplatzen ist. Mittels Proper Orthogonal Decomposition und aus der Literatur bekannten Stabilitätskriterien wurden die Flügelrandwirbel auf mögliche Instabilitäten untersucht. Ein Hinweis auf eine elliptische Instabilität konnte jedoch nicht gefunden werden. Zusätzlich konnte festgestellt werden, dass eine zeitaufgelöste, detaillierte Messung des Flügelrandwirbels mittels CTA sehr umständlich ist. Die Hitzdrahtsonde, muss in jedem Messpunkt zur Hauptanströmung ausgerichtet werden um valide Ergebnisse zur erzeugen. Dies ist mit dem aktuellen Positionierungssystem am ILR nicht ohne kostenintensive Erweiterungen möglich. Des Weiteren konnte mittels Waagenmessungen und numerischen Simulationen nicht bestätigt werden, dass bei einem maximalen Auftriebs-zu-Widerstand-Verhältnis die Axialgeschwindigkeit im Wirbelkern gleich der Anströmgeschwindigkeit ist. Besonders fraglich bei dieser These ist außerdem, an welcher Stelle die Axialgeschwindigkeit gemessen werden soll, da diese im Nachlauf nicht konstant ist. Ein Unterschied im Auftriebs-zu-Widerstand-Verhältnis der verschiedenen Randkappen konnte nicht gemessen werden. Aufbauend auf diesem Projekt werden detailliertere Untersuchungen des plötzlichen Aufweitens der Wirbellinie durchgeführt. Dazu werden neben Highspeed Video Aufnahmen auch Tomographisches PIV zum Einsatz kommen.
Publications
- (2017) Modal analysis of wingtip vortices by means of Proper Orthogonal Decomposition. Proc. Appl. Math. Mech. (PAMM) 17 (1) 693–694
Dufhaus, Sebastian; Brautmeier, Sarina; Uhl, Anna; Hörnschemeyer, Ralf; Stumpf, Eike
(See online at https://doi.org/10.1002/pamm.201710315) - (2017) Numerical investigation of vortex roll-up processes using different wingtip shapes. Proc. Appl. Math. Mech. (PAMM) 17 (1) 697–698
Uhl, Anna; Dufhaus, Sebastian; Hörnschemeyer, Ralf; Stumpf, Eike
(See online at https://doi.org/10.1002/pamm.201710317) - Numerical Simulation of Vortex Roll-Up Processes Using the SSG/LRR-ω Model, In: New Results in Numerical and Experimental Fluid Mechanics X
Braun
(See online at https://doi.org/10.1007/978-3-319-27279-5_42)
