Auslegung und experimentelle Valid ierung eines Sensorkonzeptes für die lokale Bestimmung von räumlich korrelierten Oberflächendruckschwankungen

Kurzfassung

In dieser Arbeit wird die Entwicklung eines Sensordesigns zur Vermessung von Druckschwankungen in der turbulenten Grenzschicht beschrieben. Die Kenntnis der Eigenschaften dieser Schwankungen ist zum Beispiel bei der Vorhersage von Strukturanregungen durch die turbulente Grenzschicht relevant. Besonders wichtig sind dabei die Ausbreitungsrichtung der Druckschwankungen sowie die Distanz, über die ein Signal selbstähnlich bleibt, die sogenannte Kohärenzlänge. Dabei werden Kohärenzverteilungen nach den Modellen von Efimtsov (1982) und Smol'yakov (2006) angenommen. In der vorliegenden Arbeit wird zunächst anhand der Anforderungen und baulichen Einschränkungen eines Flugversuchs ein Sensorkonzept mit verschiedenen Druckaufnehmeranordnungen erarbeitet. Die Auswertung der Messdaten erfolgt mit Hilfe eines zweidimensionalen Fits der gemessenen Kohärcnzcn der Oberflächendruckschwankungen an verschiedenen Orten an das jeweilige Modell. Um die Zahl der Sensoranordnungen zu reduzieren und eine erste Beurteilung des Messverfahrens treffen zu können, werden synthetische Daten auf Basis vorgegebener Kohärenzlängen erzeugt und in einem weiteren Schritt mit Rauschen beaufschlagt, aus denen die zur Erstellung der Daten verwendeten Kohärenzlängen wiederhergestellt werden sollen. Die Abschätzungen werden mit verschiedenen Kohärenzlängen und bei verschiedenen Anströmwinkeln durchgeführt. Anhand dieser Ergebnisse, verglichen mit den jeweils vorgegebenen Parametern, werden die Anordnungen bewertet und diejenigen ausgewählt, die dann experimentell getestet werden. Nach einer Kalibrierung der Druckaufnehmer findet die Validierungsmessung in der Kalibriereinrichtung des Strömungsakustiklabors Göttingen (SAG) statt. Unter nun experimentell variierten Anströmgeschwindigkeiten und -richtungen werden Messungen mit den drei ausgewählten Sensoranordnungen durchgeführt und mit denen eines Referenzarrays verglichen. Die Auswertung dieser Messungen zeigt, dass der Messbereich eines solchen Sensors stark von dessen Abmessungen abhängt. liegen die zu bestimmenden Kohärenzlängen in einer ähnlichen Größenordnung, so ist eine gute Bestimmbarkeit, vor allem senkrecht zur Anströmung, gegeben. Auch die Anströmrichtung kann unter diesen Bedingungen gut bestimmt werden. Zur genauen Bestimmung der Anströmrichtung ist eine grobe Ausrichtung des Arrays in Richtung der zu erwartenden Strömung nötig. Der Messbereich der Sensoranordnung hängt von deren Sensorabständen im Verhältnis zu den vorhandenen Kohärenzlängen ab.