Modenstruktur und adaptive Regelung der Strahl-Kanten-Strömung

Abstract

Die Stabilisierung der laminaren Strahl-Kanten-Strömung wird mit dem Ziel untersucht, Erfahrungen über prinzipielle Probleme bei der Strömungssteuerung zu sammeln. Die konvektive Instabilität des Strahls führt zusammen mit der Rückkopplung der Druckschwankungen von der Kante zur Düse zu einer globalen Instabilität, die sich zu einer starken Geräuschquelle entwickeln kann. Ein Regelsystem soll so hinzugefügt werden, dass die Strömung dauerhaft stabilisiert wird.Der Unterschied zwischen diesem System und den meisten mechanischen oder elektrischen rückgekoppelten Systemen sind die große Zahl von Freiheitsgraden und die Tatsache, dass kein äquivalentes offenes System realisiert werden kann. Die relevante Dynamik des Systems wird mittels eines adaptiven Reglers identifiziert, der durch ein kleines eingebrachtes breitbandiges Testsignal das stabilisierende Gegenkopplungsfilter einstellt. Für kleine Düse-Keil-Abstände wird eine gute Stabilisierung erreicht. Mit wachsendem Abstand reagiert das System jedoch immer empfindlicher auf die Reglerparameter, so dass eine immer genauere Adaption der Gegenkopplungsfilter notwendig wird. Ab einem gewissen Düse-Keil-Abstand versagen die Stabilisierungsbemühungen. Dieser Abstand fällt mit dem Einsetzen des zweiten Systemzustands des ungeregelten Systems zusammen, der aus zwei koexistierenden Moden besteht, deren Frequenzen zeitlich gemittelt inkommensurabel sind. Bei näherer Betrachtung der Phasenlage zwischen den zwei Oszillationen, kann Phasensynchronisation bei rationalen Frequenzverhältnissen mit großen Zählern und Nennern, also mit langen Perioden beobachtet werden; außerdem treten plötzliche Übergänge zwischen Synchronisationszuständen mit verschiedenen Frequenzverhältnissen auf. Wirbelsysteme in der Nähe der Kante und/oder der Düse sind vermutlich die Ursache für diese Dynamik, die extrem lange Zeitkonstanten aufweist.