Experimentelle Strömungsfeldanalysen an bewegten Tragflügeln bei kleinen Reynolds-Zahlen

Abstract

Der Schlagflug tritt in der Natur in vielfältiger Form auf und zeichnet sich dadurch aus, dass Auf- und Vortrieb mit diesem Mechanismus gekoppelt generiert werden können. Die technisch meistgenutzte Methode zur Auftriebserzeugung, die stationäre Profilumströmung, zeigt für Reynolds-Zahlen unter Re = 100 000 erhebliche Effizienzeinbußen. Diese Arbeit greift die Faszination des Schlagfluges auf und setzt sich zum Ziel, die vorherrschenden instationären Strömungsvorgänge weiter zu entschlüsseln. Hierfür werden drei optische Messaufbauten entwickelt und in einem Windkanal der TU-Braunschweig angewendet. Dieser verfügt über einen Modellbewegungsapparat und ist für niedrige Reynolds-Zahlen ausgelegt. Weiterhin werden Verfahren zur Beschreibung der zeitlichen und räumlichen Entwicklung von Wirbeln entwickelt und auf die gemessenen Strömungsfelder angewendet. Die stereoskopische „Particle Image Velocimetry“, oder kurz PIV-Messmethode, wird verwendet, um mit einer großen Messmatrix einen breiten Einblick in die Phänomene am harmonisch schlagenden Flügel zu bekommen. Detailuntersuchungen werden mit einem speziell entwickelten tomographischen PIV-Messaufbau durchgeführt. Die räumlich hoch aufgelösten 3D-Strömungsfelder werden direkt auf der Oberseite der schlagenden Tragflächen gemessen. Die Einflüsse unterschiedlicher Flügelgeometrien und Schlagmuster werden untersucht. Es zeigt sich während des Abschlages stets eine im Vergleich zur Umströmung am stationären Modell kompaktere Vorderkantenablösung bei äquivalenten Anstellwinkeln. Weiterhin sind abgelöste Bereiche beim Abschlag stärker beeinflusst durch die Randwirbel, wodurch eine ausgeprägte laterale Einschnürung der Strömung vorliegt. Die Strömung bildet sich am bewegten Modell verzögert aus, zeigt aber insbesondere im unteren Bereich der Bewegung sehr hohe Zirkulationswerte der bewegungsabhängig generierten Vorderkantenwirbel. Diese prägen je nach Bewegungsform das Strömungsfeld auf der Modelloberseite bis zum unteren Totpunkt oder sogar darüber hinaus. Je größer die effektiven Anstellwinkel werden, desto stärker entwickeln sich die Wirbel an der Vorderkante. Es wird gezeigt, dass bei größerer Strouhal-Zahl und reduzierter Frequenz kohärentere Wirbel mit höherer Zirkulation generiert werden. Auch ist das Aufbrechen der Randwirbel in unterschiedlicher Ausprägung dargestellt. Ein weiterer stereoskopischer PIV-Messaufbau wird konzipiert, um die zeitliche Entwicklung der Wirbel zu quantifizieren. Dieser zeichnet sich dadurch aus, dass Teile des Systems mit der Bewegung geführt werden, um eine hohe Aufnahmerate zu ermöglichen. Anhand von Parametern wie dem Radius, der Zirkulation und der Konvektionsgeschwindigkeit wird gezeigt, wie die Vorderkantenwirbel entstehen und abschwimmen. Ein Vergleich zweier Nick- und eines Hubmanövers mit demselben Verlauf des effektiven Anstellwinkels zeigt deutlich, dass die Strömung sich bei zurückliegender Nickachse verzögert entwickelt, da an der Vorderkante eine überlagerte Relativgeschwindigkeit vorliegt. Die Seitenkantenumströmung weist Unterschiede auf, wodurch laterale Differenzen in der Ausbreitung der Vorderkantenwirbel auftreten. Das reine Hubmanöver zeigt verringerte Bewegungsabhängigkeit und eine niedrigere Frequenz der Vorderkantenwirbelgenerierung. Es werden jedoch höhere Zirkulationswerte erreicht und die Wirbel werden etwas größer. Das Hubmanöver verdeutlicht weiterhin große Unterschiede in der Randwirbelentwicklung. Dieser bildet sich hier verzögert aus, zeigt aber größeren Einfluss auf die Strömungsstrukturen auf dem Innenflügel. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass mit Hilfe der entwickelten Messsysteme und Analyseverfahren ein tiefer gehender Einblick in instationäre aerodynamische Effekte am bewegten Tragflügel, und hier insbesondere in die Wirbelentwicklung, gegeben wird.