Strömungssteuerung mittels Plasmaaktuatoren

2. August 2012

Hintergrund

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Abb. 1: Beispielhafte Wirbelstruktur am Deltaflügel

Bei Deltaflügeln kommt es aufgrund der Pfeilung bereits bei niedrigen Anstellwinkeln zu einer Ablösung der Strömung an der Vorderkante. Die abgelöste Strömung rollt sich oberhalb des Flügels tütenartig auf und bildet so zwei oder mehrere gegensinnig rotierende Wirbel (Abb. 1). Diese Vorderkantenwirbel haben einen maßgeblichen Einfluss auf die Strömung auf der Saugseite des Deltaflügels, weil sie durch hohe Umfangs- und Radialgeschwindigkeiten unterhalb der Wirbelachse auf der Flügeloberfläche eine Druckabsenkung bewirken und dadurch den Auftrieb und den Widerstand erhöhen. Aufgrund dieses starken Einflusses sind geringe Veränderungen der Vorderkantenwirbel ausreichend, um signifikante Auftriebs- und Widerstandsänderung zu erzielen.

Untersuchungen

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Abb. 2: Deltaflügel im 1m-Kanal

An einem Deltaflügel mit Plasmaaktuatoren an der elliptischen Vorderkante sind bei inkompressibler Strömung Stereo-PIV-Messungen zur Erfassung der sich auf der Saugseite des Flügels bildenden Wirbelstrukturen im 1m-Windkanal des DLR durchgeführt worden (Abb. 2).

Im Reynoldszahlenbereich bis Re=106 wurde untersucht, wie die Wirbelströmung durch eine Plasmaaktuation beeinflusst werden kann.
Bei kleinen Anstellwinkeln bilden sich an einem Deltaflügel noch keine ausgeprägten Vorderkantenwirbel aus, die zu einer Erhöhung des Auftriebs beitragen. Anstelle der Vorderkantenwirbel ist bei diesen kleinen Anstellwinkeln an der Vorderkante eine Strömungsablösung zu beobachten, durch die ein geringer Auftriebsverlust erfolgt. Der durch den Plasmaaktuator induzierte Impuls an der Vorderkante reicht aus, um ein Wiederanlegen der abgelösten Strömung zu bewirken, wodurch es zu einer Erhöhung des Auftriebs kommt (Abb. 3).

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Abb. 4: Druckbeiwerte cp der Deltaflügelumströmung ohne Aktuation (oben) und mit Aktuation (unten); U=15m/s, α=14°

Bei größeren Anstellwinkeln reicht der durch den Aktuator eingebrachte Impuls nicht mehr für ein Wiederanlegen der Strömung aus, so dass sich mit weiter zunehmendem Anstellwinkel ein Vorderkantenwirbel ausbilden kann. Der eingebrachte Impuls bewirkt jedoch eine Verschiebung des Ablösepunkts, wodurch die Position des Wirbelkerns und vor allem die Übergeschwindigkeiten unterhalb des Wirbelkerns stark beeinflusst werden (Abb. 4). Dies hat bei der hier betrachteten Anströmgeschwindigkeit von U=15m/s eine Erhöhung des Drucks und somit eine Auftriebsminderung zu Folge.
Es hat sich gezeigt, dass der Einfluss der Plasmaaktuation stark geschwindigkeitsabhängig ist und kann je nach Strömungszustand den Auftrieb lokal erhöhen oder verringern, was eine Steuerung eines Deltaflügels mittels Plasmaaktuation ermöglicht.

Veröffentlichungen zum Thema

  • Wilke J. B. "Aerodynamische Strömungssteuerung mittels dielektrischer Barriereentladungs-Plasmaaktuatoren" (Aerodynamic Flow Control with Dielectric Barrier Discharge Plasma Actuators); Dissertation TU Darmstadt, DLR Forschungsbericht FB 2009 19, DLR, 2009


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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Abteilung Hochgeschwindigkeits­konfigurationen (AS-HGK) (http://www.dlr.de/as/desktopdefault.aspx/tabid-333/378_read-559/usetemplate-print/)