Modale Analyse volumetrischer Strömungsfelder aus experimentellen Shake-The-Box Ergebnissen

Abstract

Shake-The-Box ist ein Messverfahren der Strömungsmechanik zur Ermittlung volumetrischer, zeitaufgelöster Geschwindigkeitsfelder. Am Deutschen Zentrum fur Luft- und Raumfahrt in Gottingen wurde es erstmals zur Untersuchung eines Quadkopters mit etwa 0,5 m Breite im Freiflug eingesetzt (Wolf et al., 2024). Berechnungen des Schubs mittels der Impulserhaltung, unter Vernachlässigung der Druckterme, zeigten Abweichungen vom, aufgrund des Gewichts, erwarteten Wert sowie Oszillation mit einer Frequenz von etwa 40 Hz. Diese könnten auf Fluidstrukturen bzw. Moden mit Druckgradienten zuruckzuführen sein.

Ziel dieser Arbeit ist die Identifikation derartiger Strukturen mittels einer modalen Analyse. Dazu wurde ein Programm zur Durchfuhrung einer diskreten Proper Orthogonal Decomposition entwickelt, validiert und auf die Ergebnisse von Versuchen eines Schwebeflugs innerhalb sowie außerhalb des Bodeneffekts angewendet. In beiden Fällen wurden wandernde Strukturen mit uber 1 % der turbulenten kinetischen Energie extrahiert, die vermutlich durch aerodynamische Instabilitäten bedingt sind. Ihre Frequenz lag fur den Flug innerhalb des Bodeneffekts unter 20 Hz, für den außerhalb des Bodeneffekts bei etwa 40 Hz. Die ubrigen hochenergetischen Moden hatten im Allgemeinen einen transienten Charakter und sind wohl auf die positionelle Drift der Drohne und andere großskalige Ereignisse während der Experimente zuruckzuführen.

Die mit etwa 40 Hz schwingenden Strukturen gehen wahrscheinlich mit Druckgradienten einher und können somit die Schwankungen und Abweichungen des berechneten Schubs erklaren. Weitere potenziell relevante aerodynamische Effekte werden durch den großen Einfluss der Drift und anderer externen Effekte uberlagert. Die Ergebnisse lassen auf energetisch relevante, großskalige Effekte im komplexen und durch Interaktionseffekte gepragten Abwind von Quadkoptern schließen. Weitere Experimente und Analysen können deren Verstandnis vertiefen und so zur Entwicklung von effizienteren, sichereren und leiseren Flugobjekten beitragen.