Messung der Wandschubspannung in Strömungen mit Stoß-Grenzschicht-Wechselwirkungen

Abstract

Im Überschallflug haben Stoß-Grenzschicht-Wechselwirkungen (SGWW) einen erheblichen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit, aber auch an die strukturellen Anforderungen von Flugkörpern. Die grundlegende Vorhersage der wirkenden Kräfte und Wärmelasten ist für weitere Forschungsarbeiten und Entwicklungen dringend nötig, kann aber noch nicht in ausreichender Präzision und allgemeiner Anwendbarkeit getätigt werden. Für ein besseres Verständnis dieser Interaktionen werden in dieser Arbeit transsonische 2D SGWW an einem Flügelprofil sowie die 3D SGWW eines Keils auf einer ebenen Platte in Überschallströmungen untersucht. Dabei wird in mehreren Windkanalexperimenten neben Wanddruckmessungen die Quantitative Infrarot Thermographie zur Bestimmung der Wärmestromdichte und Ölfilminterferometrie zur Vermessung der Wandschubspannung eingesetzt. Mit den fein aufgelösten, flächigen Messdaten können bisherige Vorhersagen bezüglich maximaler Wärmelasten und Reibungsbeiwerte präzisiert, und auch die Wandschubspannung in 2D Ablöseblasen quantitativ vermessen werden. Die für die 3DSGWW des unendlich großen, scharfen Keils bekannte quasikonische Symmetrie wird für die realistischen Anwendungsfälle begutachtet und auf weitere Messwerte wie die lokale Richtung der Wandstromlinien angewendet. Als Abweichung zur kanonischen Konfiguration wird untersucht, wie stark der Einfluss der Vorderkantengeometrie des Keils auf das nachfolgende Interaktionsgebiet ist. Sowohl Keile mit einer zunehmenden Krümmung von einer anströmungsparallelen Vorderkante bis zum nominellen Keilwinkel als auch Keile mit stumpfer Vorderkante verschieben das Einsetzen der quasikonischen Symmetrie stromab und haben damit einen deutlichen Einfluss auf die lokalen Wärmelasten. Alle experimentell eingesetzten Methoden werden dabei kritisch auf ihre Anwendbarkeit in Kurzzeitkanälen untersucht und mit parallel durchgeführten numerischen Strömungssimulationen typische Messfehler quantifiziert, welche in der Literatur häufig als vernachlässigbar abgeschätzt werden. Dazu gehört der Einfluss von Druckgradienten und Gravitation auf die Bewegung des dünnen Ölfilms, sowie die adiabate Strömungstemperatur in Wandnähe. Durch eine robuste experimentelle Umsetzung der Ölfilminterferometrie, Weiterentwicklung der Auswerteroutinen und Unterstützung numerischer Daten können diese Effekte isoliert betrachtet und neue Grenzen gefunden werden, innerhalb derer die vereinfachte Datenanalyse gültig ist. Zusätzlich zur angewendeten Ölfilminterferimetrie wurden auch neue experimentelle Methoden zur indirekten Abschätzung der Wandschubspannung auf Basis des optischen Flusses analysiert. Diese ermöglichen deutlich einfachere experimentelle Messungen, wurden bislang aber noch nicht ausreichend mit Vergleichsdaten konventioneller Messungen validiert. Der hier aufgenommene, ausführliche Datensatz mehrerer Strömungsparameter in zahlreichen Modellkonfigurationen verbessert nicht nur das Verständnis der untersuchten SGWW, sondern auch der eingesetzten Messtechniken und die relevanten Fehlerquellen.