Numerische und experimentelle Analyse des Schlagfluges bei kleinen Reynoldszahlen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Durch eine geeignete Formulierung und Abstimmung des eingesetzte numerischen Strömungslösers konnten die bei der kleinen Reynoldszahl von Re=60.000 am Profil SD7003 auftretenden, großen laminaren Ablöseblasen über den gesamten Arbeitsbereich des Profil simuliert werden. Bei laminaren Ablöseblasen handelt es sich um ein Strömungsphänomen, welches typischer Weise bei kleinen Reynoldszahlen auftritt und bei welchem es noch vor der Transition von laminarer auf turbulente Strömung zu einer Strömungsablösung kommt. Dieses muss bei einer Simulation berücksichtigt werden, da durch die laminaren Ablöseblasen ein teils erheblicher, zusätzlicher Druckwiderstand erzeugt wird. In diesem Vorhaben wurde ein zur Bestimmung der Transitionslage laminar/turbulent bestehendes Verfahren dahingehend erweitert, dass es auch für den instationären Fall eines bewegten Profiles angewendet werden kann. Diese zunächst als Forschunghypothese formulierte Verfahrenserweiterung wurde durch den Vergleich zwischen durchgeführten Messungen und Rechnungen überprüft, wobei sich eine gute Übereinstimmung ergab. Das neue und überprüfte Verfahren konnte im folgenden für die Analyse des Schlagfluges verwendet werden. Dabei konnten Wirkungsgrade und Beiwerte für den 2D-Schlagflug unter Berücksichtigung der instationären Transition und der laminaren Ablöseblasen ermittelt werden. Durch einen Vergleich der berechneten Ergebnisse mit der reibungslosen Theorie konnten die durch durch den viskosen Impulsaustausch zusätzlich hervorgerufenen Verluste bestimmt werden. Für das SD7003 Profil haben sich keine grundlegenden Abweichungen von den aus der reibungslosen Theorie zu erwartenden Ergebnissen ergeben, sofern die Bewegungsparameter auf günstige Werte eingestellt wurden. Für weniger günstige Werte, wie z.B. eine reine Hubbewegung mit sehr großen Amplituden, wurden hingegen sehr große Abweichungen erhalten. Diese resultieren aus den dann stark auftretenden Strömungsablösungen. Durch die Anwendung der zeitaufgelösten Particle Image Velocimetry (PIV) konnten laminare Ablöseblasen für ein gesamtes 2D-Feld zeitgenau vermessen werden. In einer genauen Analyse ließen sich daraus insbesondere die dominanten Frequenzen und Amplituden der auftretenden Grenzschichtstörungen ermitteln. Diese Störungen sind von besonderem Interesse, da sie im Verlauf der Strömung stark angefacht werden und schließlich den Übergang von laminarer auf turbulente Strömung auslösen. In begleitenden numerischen Berechnungen wurden Forschungshypothesen bezüglich des Auftretens des sog. Flappings der laminaren Ablöseblasen untersucht.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Ol, M., McAuliffe, B. R., Hanff, E. S., Scholz, U., Kaehler, Ch., "Comparison of Laminar Separation Bubble Measurements on a Low Reynolds Number Airfoil in Three Facilities", AIAA Paper 2005-5149, 2005.
- Radespiel, R., Windte, J., Scholz, U., "Numerical and Experimental Flow Analysis of Moving Airfoils with Laminar Separation Bubbles", AIAA Journal, Vol. 45, No. 6, June 2007, pp. 1346-1356.
- Radespiel, R., Windte, J., Scholz, U., "Numerical and Experimental Flow Analysis of Moving Airfoils with Laminar Separation Bubbles.", AIAA-2006-0501, 44th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Reno, 9-12 January 2006.
- Scholz, U., Kahler, C.J., "PIV analysis of flapping wing aerodynamics", 13th International Symposium on Applications of Laser Techniques to Fluid Mechanics, Lisbon, Portugal, June 26-29 2006.
- Windte, J., Pfingsten, K.-C., "On 2D Motion Parameters for Flapping Wing Propulsion", First European Micro Air Vehicle and Flight Competition, Braunschweig, Germany, July 13-14,2004.
- Windte, J., Radespiel, R., Scholz, U., Eisfeld, B. "RANS Simulation of the Transitional Flow Around Airfoils at Low Reynolds Numbers for Steady and Unsteady Onset Conditions", Proc. Specialists Meeting on Enhancement of NATO Military Flight Vehicle Performance by Management of Interacting Boundary Layer Transition and Separation, Prague, Czech Republic, RTO-MPAVT-111-P-03, 2004.
- Windte, J., Scholz, U., Radespiel, R., "Validation of the RANS-Simulation of Laminar Separation Bubbles on Airfoils.", Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2005 Friedrichshafen, Germany, September 26 29, 2005.
- Windte, J., Scnolz, U., Radespiel, R., "Validation of the RANS-Simulation of Laminar Separation Bubbles on Airfoils", Aerospace Science and Technology, Vol. 10, 2006, pp. 484-494.
- Windte, J.; Radespiel, R.; Neef, M., "Aerodynamic Analysis of Flapping Airfoil Propulsion at Low Reynolds Numbers.", In: MEGAFLOW - Numerical Flow Simulation for Aircraft Design. Notes on numerical fluid mechanics and multidisciplinary design. Vol. 89, Springer Verlag, 2005, pp. 299-313.
- Yuan, W., Khalid, M., Windte, J. Scholz, U. Radespiel, R., "An Investigation of Low- Reynolds-number Flows past Airfoils", 23rd AIAA Applied Aerodynamic Conference, 6-9 June, Toronto, Canada, AIAA-2005-4607.
- Yuan, W., Khalid, M., Windte, J. Scholz, U. Radespiel, R., "Computational and Experimental Investigations of Low-Reynolds-Number Flows past an Aerofoil", The Aeronautical Journal, Vol. 111, No. 1115, January 2007, pp. 17-29.
- Zhang, W., Hain, R., Kahler, C.J., "Scanning PIV investigation of the laminar separation bubble on a SD7003 airfoil", 7th International Symposium on Particle Image Velocimetry, Rom, Italy, Sept. 11-14 2007.
