Strömungssteuerung mittels Wirbelgeneratoren

Abteilung Hochgeschwindigkeitskonfigurationen

 

Hintergrund

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Abb. 1: Ebene Platte mit verschiedenen Einbauten zur Untersuchung einzelner Wirbelgeneratoren (Rampen, konventionelle, sub-boundary layer, fluidische)

Bei transsonischen Umströmungen kommt es in Abhängigkeit vom Anstellwinkel und der Anströmmachzahl zur Ausbildung lokaler Überschallgebiete auf dem Flugzeugtragflügel, die mit einem Verdichtungsstoß abgeschlossen werden. Bei dem Aufeinandertreffen von starken Verdichtungsstößen und Grenzschichten sind Stoß-Grenzschicht-Wechselwirkungen zu beobachten. Dies führt zur Grenzschichtaufdickung und in Abhängigkeit von der Stoßstärke auch zu stoßinduzierter Ablösung der Grenzschicht, was wiederum in unerwünschte Stoßschwingungen („buffet“) münden kann. Insgesamt führen die Ausbildung eines Verdichtungsstoßes sowie die Wechselwirkung des Stoßes mit der Grenzschicht zum Anstieg des Gesamtwiderstandes durch Zunahme des Reibungswiderstandes und Entstehung des Wellenwiderstandes.
Die transsonische Wechselwirkung findet in der Regel bei Vorstoßmachzahlen zwischen Ma=1.1 und Ma=1.5 statt und ist typisch für transsonische Verkehrsflugzeuge mit einer Reiseflugmachzahl zwischen Ma=0.7 und Ma=0.85. Das Ziel der Strömungssteuerung mittels Wirbelgeneratoren (WG) liegt hier primär in der Reduktion des durch den senkrechten Verdichtungsstoß hervorgerufenen Wellenwiderstandsanteils und in der Vermeidung unerwünschter Ablösung und Stoßschwingungen.

 

Das Messverfahren

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Abb. 2: Exemplarische Ergebnisdarstellung einer Wirbelgeneratorkonfiguration (vermessen im DNW-TWG); Blick stromauf in die Messstrecke mit Nachlaufrechen und Modell

Wirbelgeneratoren werden typischerweise in Stoßnähe auf der Profiloberseite positioniert. Eine im Nachlauf der Wirbelgeneratoren entstehende spiralige Strömung sorgt durch Umlenkung von energiereicher Außenströmung zur Wand hin und Abtransport der verzögerten, energiearmen, wandnahen Strömung nach außen für eine Energetisierung der Grenzschichtströmung. Dadurch können die Fülligkeit des Grenzschichtprofils erhöht und die Neigung der Grenzschicht zur Ablösung reduziert werden.

 

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Abb. 3: Visualisierung der Grenzschichtentwicklung sowie der Stoß- und Ablösestruktur.
Dargestellt sind Isolinien des dimensionslosen Totaldrucks und die Strömungsrichtungskomponente der Wandschubspannung

Es wurden experimentelle und numerische Parameterstudien mit einzelnen Wirbelgeneratoren und Wirbelgeneratoranordnungen in Bezug auf eine starke Stoß-Grenzschicht Wechselwirkung durchgeführt. Dabei wurden die Auswirkungen der Wirbel, insbesondere die Auswirkungen ihrer Wechselwirkungen untereinander, auf das Grenzschichtverhalten, den Stoß und insgesamt auf die aerodynamische Leistung des betrachteten Profils untersucht. Dazu wurden sowohl Windkanalversuche an einem einfachen Modell einer ebenen Platte (Abb. 1) sowie an einem superkritischen transsonischen Profil (Abb. 2), als auch komplexe numerische Parame-teruntersuchungen anhand eines Profils in freier Anströmung (Abb. 3) durchgeführt.

 

Veröffentlichungen zum Thema

  • Krenkel L. (2012), "Untersuchung des Einflusses von Wirbelgeneratoren auf die Stoß-/Grenzschicht-Wechselwirkung" (Investigation on the Influence of Vortex Generators on the Shock-/Boundary Layer-Interaction); Dissertation RWTH Aachen, DLR Forschungsbericht FB 2012-??, DLR, 2012 (to be published).

 


Kontakt
Dr.rer.nat. Stefan Koch
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik
, Hochgeschwindigkeitskonfigurationen
Tel: +49 551 709-2887

Fax: +49 551 709-2811

E-Mail: Stefan.Koch@dlr.de
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Strömungssteuerung mittels Plasmaaktuatoren (http://www.dlr.de/as/desktopdefault.aspx/tabid-333/378_read-35036/usetemplate-print/)
Abteilung Hochgeschwindigkeits­konfigurationen (AS-HGK) (http://www.dlr.de/as/desktopdefault.aspx/tabid-333/378_read-559/usetemplate-print/)