Dynamik und Instabilitäten helixförmiger Wirbelpaare

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Eike Stumpf
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung seit 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 391677260

Ziel des Forschungsvorhabens sind neue grundlegende Erkenntnisse bzgl. der gemeinsamen Dynamik und gegenseitig induzierten Instabilitätsformen von Wirbelpaaren, die eine Geometrie in Form einer Helix aufweisen. Diese spezielle Wirbelgeometrie tritt insbesondere in Anwendungen auf, bei denen die Umströmung von Rotoren eine Rolle spielt, bspw. die Blattspitzenwirbel von Helikopterrotoren oder Windkraftanlagen mit horizontaler Achse. Der Nachlauf in beiden Beispielen ist von konzentrierten Wirbelstrukturen im Nahfeld geprägt, welche bei Interaktion mit stromab befindlichen Strukturen (Rotorblätter, nachfolgende Windkraftanlage etc.) negative Folgen wie impulsive Geräuschemission bei Helikopterrotoren (Blatt-Wirbel-Interaktion) oder Leistungsreduktion bei gleichzeitig verringerter Lebensdauer im Falle der Windkraftanlage. Eine positive Beeinflussung der Nachlaufeigenschaften, im Speziellen der charakteristischen Wirbelparameter Kernradius und maximale Wirbelstärke, ist seit langem Ziel einer Vielzahl von Forschungsprojekten und neuartigen Technologien. Im Rahmen des TWIN-HELIX Projekts wird ein neuer, innovativer Ansatz verfolgt, um die unerwünschten Effekte der Interaktionen von Wirbel und nachfolgender Struktur zu minimieren. Der einzelne, konzentrierte Blattspitzenwirbel soll mithilfe einer auf der Blattoberfläche angebrachten Finne in zwei Wirbel aufgespalten werden und somit die Fläche, um die sich die induzierte Wirbelstärke verteilt, vergrößert werden. Durch gegenseitig angeregte Instabilitäten soll der nachfolgende Verschmelzungsprozess der beiden Wirbel beschleunigt werden, damit die Modifikation der entscheidenden Parameter vor dem Auftreffen auf eine eventuell nachfolgende Struktur erfolgt ist. Der gesamte Interaktionsprozess wird in einer kombinierten theoretischen, numerischen und experimentellen Analyse untersucht, durchgeführt von einem deutsch-französischen Projektkonsortium, bestehend aus dem Institut de Recherche sur les Phénomènes Hors Equilibre (IRPHE) und dem Institut für Luft- und Raumfahrtsysteme (ILR). In der ersten Projektphase wurde die generelle Funktionsweise der vorgeschlagenen Modifikation gezeigt und vielversprechende Ergebnisse erzeugt. Umfassende Parameterstudien resultierten in optimalen geometrischen Konfigurationen, welche in Hinblick auf die zuvor formulierten Modifikationen der Wirbeleigenschaften die besten Resultate zeigten. Das Auftreten einer speziellen Instabilitätsform bei gewissen Konfigurationen beschleunigte den gewünschten Verschmelzungsprozess zudem erheblich. In der zweiten Projektphase soll der Fokus nun auf dem Ursprung ebendieser Instabilität liegen, um mögliche Ursachen für deren Entstehung und mögliche weitere Verstärkungsmechanismen gelegt werden. Außerdem soll der Effekt der Modifikation auf die aerodynamischen Eigenschaften des Blattes, wie bspw. erzeugter Schub und zusätzlicher Widerstand durch die Präsenz der Finne, genauer mithilfe von geeigneten Experimenten untersucht werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Ralf Hörnschemeyer
• Kooperationspartner: Dr. Thomas Leweke