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Experimente bei Flug-Reynoldszahlen im Kryo-Rohrwindkanal Göttingen (DNW-KRG)

Abb. 1: Einfluss der Kanalladetemperatur T0,L auf verschiedene Turbulenzgrößen im KRG bei konstanter Reynoldszahl

Abb. 4: Transitionslagenbestimmung am LV2F-Laminarprofil anhand des Effektivwertes der Wechselspannungssignale installierter Heißfilme; hier: identische Transitions-lage am 2D-Profil trotz unterschiedlicher Kanalparameter (Druck, Temperatur) im DNW-KRG

Für die nächste Generation von Transportflugzeugen kommt der Laminarhaltung der Grenzschicht eine bedeutende Rolle in Bezug auf Widerstandsreduktion und damit Treibstoffersparnis zu. Entwürfe für Laminarprofile müssen im Windkanalversuch möglichst unter Freiflugbedingungen überprüft werden. Der Kryo-Rohrwindkanal Göttingen (DNW-KRG) ist ein intermittend arbeitender Windkanal und ist speziell für Versuche bei hoher Reynoldszahl im transsonischen Geschwindigkeitsbereich entwickelt worden. Durch Zuhilfenahme tiefer Ladetemperaturen von bis zu 100 K und Staudrücken von bis zu 1 MPa kann die Reynoldszahl derart erhöht werden, dass Flug-Reynoldszahlen moderner Transportmaschinen in der Messstrecke des KRG reproduziert werden können.

Aufgrund langjähriger Erfahrung in diesem Windkanal verfügt die Abteilung Hochgeschwindigkeitskonfigurationen (AS-HK) über eine besondere Expertise, um Messungen im DNW-KRG durchführen zu können.

Neben der vollständigen Reynoldszahlsimulation muss auch die Turbulenz in der Anströmung im Windkanal mit dem Freiflug vergleichbar sein oder es müssen zumindest mit dem Freiflug vergleichbare Bedingungen für die Transition existieren. So wurden in der Vergangenheit im DNW-KRG Strömungsqualitätsmessungen durch AS-HK durchgeführt, in denen die zeitliche und räumliche Entwicklung einzelner Schwankungsgrößen untersucht wurde. Hierbei wurden Gesamtdruck, statischer Druck, Gesamttemperatur und Massenfluss in der Messstrecke und im Speicherrohr des DNW-KRG betrachtet. Die Abhängigkeit der Strömungsqualität von der Fluidtemperatur war von besonderem Interesse, da ein möglicher Einfluss der Temperatur erwartet wurde, wenn das Fluid bis auf 100 K abgekühlt wird, um im DNW-KRG Flug-Reynoldszahlen zu simulieren, (Abb. 1).

Zur Untersuchung des Transitionsverhaltens an einem 2D-Profil im DNW-KRG wurde ein LV2F-Laminarprofil mit einem Heißfilm-Sensorfeld versehen, (Abb. 2). Das vorgesehene Versuchsprogramm bei hohen Reynoldszahlen mit entsprechend dünnen Grenzschichten und tiefen Versuchstemperaturen erforderte ein spezielles Heißfilmsystem. Das direkt auf das Profilmodell beschichtete Heißfilm-Sensorfeld zeichnet sich durch seine geringe Rauigkeitshöhe aus, die eine störungsfreie Transitionsmessung gewährleistet. Außerdem befinden sich die Sensoren auf einer speziellen Trägerschicht, die den Einsatz dieses Systems bei tiefen Temperaturen erst ermöglicht. Bei dem hier eingesetzten Sensoraufbau handelte es sich um ein komplettes Schichtsystem, (Abb. 3). Der Schichtaufbau wurde von Johnson et al. vorgeschlagen und lediglich bzgl. Schichtdicken und der Zusammensetzung der Siliziumdioxidschicht verändert.

Durch den Einsatz von kryotauglichen Heißfilmen konnte die Transition an einem 2D-Laminarprofil (LV2F) bestimmt werden. Der Einfluss der Fluidtemperatur auf die Transition am Profilmodell bei sonst konstanten Ähnlichkeitskennzahlen (Ma, Re) konnte so untersucht werden, (Abb. 4).

Abb. 2: LV2F-Profil mit Heißfilm-Sensorfeld in der adaptiven Messstrecke des DNW-KRG; Blick gegen die Strömungsrichtung in das Speicherrohr

Abb. 3: Schichtaufbau eines kryotauglichen Heißfilms

Weiterführende Informationen unter:

• Johnson, C. B., Carraway, D. L., Hopson, P., Jr., Tran, S. Q.: Status of a Specialized Boundary Layer Transition Detection System for Use in the National Transonic Facility, ICI-ASF ´87 Record, pp. 141 – 155
• Koch, S.: Zeitliche und räumliche Turbulenzentwicklung in einem Rohrwindkanal und deren Einfluss auf die Transition an Profilmodellen, Dissertation, DLR-FB 2004-19, Köln, (2004)
• Schülein, E., Koch, S., Rosemann, H.: Skin Friction Measurement and Transition Detection Techniques for the Ludwieg Tubes at DLR, Advanced Aerodynamic Measurement Technology, AGARD CP 601, Seattle, United States, September 1997