Experimental Investigation on Primary and Secondary Vortices in the Wake of a Hovering Rotor

Abstract

Die Blattspitzenwirbel von Drehflüglern haben einen erheblichen Einfluss auf die Aerodynamik des Rotornachlaufes und stellen die Konstruktion von Drehflüglern vor Herausforderungen. Sie tragen zur Lärmemission bei, wenn ein Rotorblatt mit einem Wirbel interagiert. Solche Blatt-Wirbel-Interaktionen (BVI) führen zudem zu instationären Belastungen der Rotorblätter, wodurch sich Vibrationen ergeben. Darüber hinaus können Fragmente zerfallener Wirbel beim Start und bei der Landung starke Geschwindigkeitsschwankungen in der Umgebung erzeugen, was eine potenzielle Gefährdung für das Bodenpersonal darstellt. Aufgrund der Komplexität dieser Strömungsfelder bleibt die numerische Simulation, insbesondere im Schwebeflug, anspruchsvoll. Jüngste Simulationen haben zusätzliche S-förmige Wirbelstrukturen zwischen den Blattspitzenwirbeln identifiziert, deren Existenz inzwischen durch mehrere Experimente für ausgewählte Konfigurationen bestätigt wurde. Um ihren Einfluss auf den Wirbelzerfall weiter zu bewerten, ist eine umfassende experimentelle Validierung unerlässlich. Eine grundlegende Voraussetzung für das Verständnis der Sekundärwirbeldynamik ist die zuverlässige Charakterisierung der Primärwirbel. Zu diesem Zweck wurden vier Konfigurationen mithilfe hochauflösender PIV-Messungen an primären Wirbeln untersucht und die Ergebnisse mit analytischen Wirbelmodellen verglichen. Neben der räumlichen Auflösung zeichnen sich die Messungen durch ein maximales erfasstes Wirbelalter von bis zu 2000° aus, welches in der Literatur nur selten untersucht wurde und somit eine wertvolle Datenbasis für die Validierung von Wirbelmodellen und numerischen Simulationen bietet. Es wird gezeigt, dass das laminare Lamb-Oseen Wirbelmodell in der Lage ist, die maximale Tangentialgeschwindigkeit in den untersuchten Fällen genau vorherzusagen und dass ein leicht erweitertes Ananthan-Leishman Modell auch die Entwicklung der Wirbelkernradien erfasst. Allerdings hängt die Gesamtgeschwindigkeitsverteilung stark von der Nachlaufscherschicht ab, wodurch sich die Genauigkeit bei größeren radialen Abständen verringert. In einem Fallbeispiel wird ein möglicher Einfluss des Nachlaufes demonstriert: Die Zerlegung des Geschwindigkeitsfeldes in das mittlere und das momentane Strömungsfeld verbessert die Übereinstimmung mit dem Lamb-Oseen Modell erheblich. Der Einfluss der Sekundärwirbel auf den gesamten Wirbelzerfall wurde in mehr als 30 verschiedenen Konfigurationen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl die spezifische Blattbelastung als auch die Blattfolgefrequenz (BPF) die Entstehung von Sekundärwirbeln beeinflussen. Während der Einfluss der spezifischen Blattbelastung vergleichsweise gering ist, erweist sich die BPF als der dominante Einflussfaktor. Es wird eine nahezu lineare Abhängigkeit der Anzahl der Sekundärwirbel und der Zirkulation von der BPF beobachtet, und dieser Trend wird auch von den verfügbaren CFD-Daten reproduziert. Allerdings lässt sich weder in den CFD-Ergebnissen noch in den Experimenten ein direkter Zusammenhang zwischen dem Auftreten von Sekundärwirbeln und dem Zerfall oder der Interaktion mit den Primärwirbeln feststellen.