Beeinflussung des laminar-turbulenten Grenzschichtumschlags durch kontrollierte Anregung stationärer Querströmungsinstabilitäten

Abstract

Die Verzögerung des laminar-turbulenten Grenzschichtumschlags (Transition), bspw. an Flugzeugtragflügeln, ist insbesondere wegen der möglichen Reduktion des Reibungswiderstands von Interesse. Zur Untersuchung einer nichtlinearen Verzögerungsmethode für querströmungsdominierte Transition namens Upstream Flow Deformation (UFD) wurde eine neue experimentelle Konfiguration mit einer instabilen dreidimensionalen Grenzschicht ausgelegt und aufgebaut. Als Vorbild diente die experimentelle Konfiguration, die in der Literatur als DLR-Prinzipexperiment der schiebenden ebenen Platte bekannt ist. Zur UFD-Methode ist bekannt, dass zusätzliche, künstlich angeregte stationäre Querströmungsinstabilitäten (QSI) zu einer Transitionsverzögerung führen können. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei Konzepte für eine solche künstliche Anregung untersucht. Die stationären QSI wurden dabei in einem Fall durch spannweitig periodische lokale Heizung der Modelloberfläche angeregt. Im zweiten Fall wurde dafür eine spannweitige Reihe von in der Oberfläche integrierten, rotierenden Scheiben verwendet. Beide Konzepte wurden bisher in diesem Kontext nicht untersucht und die Frage ihrer Anwendbarkeit in der UFD-Methode war ein zentraler Teil der Zielsetzung. Es wurden rasterförmige Grenzschichtmessungen mithilfe der Hitzdrahtanemometrie im Ein-Meter-Windkanal in Göttingen durchgeführt, deren Interpretation durch lineare lokale Stabilitätsuntersuchungen (LST) unterstützt wurde. Für beide Konzepte war die künstliche Anregung stationärer QSI erfolgreich und wurde jeweils in Abhängigkeit eines geeigneten Steuerparameters quantifiziert. Bei der Heizanregung wurde dabei auch der Einfluss der Aktuierungsposition und der Länge der Heizelemente untersucht. Bei der Rotationsanregung wurde der Einfluss des Drehsinns der Scheiben untersucht. Bei der Heizanregung wurde in manchen Fällen eine Reduktion der Amplitude der eigentlich anzuregenden stationären QSI beobachtet. Dies wurde als destruktive Superposition der Heizanregung mit der Anregung durch die Rauigkeitseigenschaft der Heizelemente interpretiert. Eine Transitionsverzögerung wurde nicht erreicht. Durch detaillierte Messungen konnten die Gründe dafür ausreichend nachvollzogen werden. Die prinzipielle Anwendbarkeit beider Anregungskonzepte in der UFD-Methode wurde bestätigt.