Active cancellation of 3D Tollmien-Schlichting waves in the presence of sound and vibrations.
Aktive Auslöschung von 3D Tollmien-Schlichting Wellen unter Anwesenheit von Schall und Schwingungen.
Holger Opfer
Doctoral thesis
Date of Examination:
2002-09-19
Date of issue:
2002-12-13
Advisor:
Ronneberger, Dirk Prof. Dr.
Referee:
Ronneberger, Dirk Prof. Dr.
Referee:
Eckelmann, Helmut Prof. Dr.
Persistent Address: http://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0006-B432-5
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Name:
opfer.pdf
Size:
3,6 MB
Format:
PDF
Description:
Dissertation
Abstract
English
In order to delay the laminar-turbulent transition in a boundary layer flow, the cancellation of 2D- and 3D instability waves by artificially excited counter-disturbances is investigated. The instability waves are subject to the spatio-temporal dispersion characteristics of the boundary layer. In order to generate the appropriate counter-disturbances, the control system samples the disturbance wave-field by sensors, models the physical process of wave propagation in terms of transfer functions, which are obtained by means of adaptive filters, and generates the counter-disturbances by driving actuators. The requirements to such a sensor-actuator-system are specified and tested experimentally. The amplitude of naturally occurring disturbances is reduced by about a factor of ten by the experimental system. The system is investigated with regard to performance improvements by additionally taking into account the spanwise disturbance spreading. In the case of artificially generated broadband point-source disturbances, i.e. significant 3D components are present in the disturbance wave-field, this leads to a broadening of the affected spanwise wavenumber range. In addition, a series of acoustic effects, based on the acoustic sensitivity of the sensors, the sound generation by the actuators, and the acoustic receptivity of the device, are investigated with respect to their influence on the control system.
Keywords: Laminar-turbulent transition; Tollmien-Schlichting waves; sound; receptivity; temporal-spatial dispersion; active control; adaptive filters; multi-channel control; transition control; drag reduction
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Zwecks Verzögerung der laminar-turbulenten Transition wird die Auslöschung von 2D und 3D Tollmien-Schlichting mittels Überlagerung geeigneter künstlich erzeugter Gegenstörungen untersucht. Die Instabilitätswellen obliegen der räumlich-zeitlichen Dispersion der Grenzschicht. Das Steuerungssystem tastet das Störwellenfeld mittels Sensoren ab, bildet den physikalischen Prozess der Wellenausbreitung durch Übertragungsfunktionen nach, die mittels adaptiver Filter angepasst werden und erzeugt die Gegenstörungen mit Hilfe von Aktuatoren. Die Anforderungen an ein solches optimales Sensor-Aktuator-System werden ausgearbeitet und experimentell überprüft. Für natürliche Störungen erreicht das realisierte System eine spannweitig ausgedehnte Amplitudenreduktion der breitbandigen Störungen auf ca. ein Zehntel. Das Steuerungssystem wird bezüglich der Verbesserung der Dämpfungseigenschaften durch zusätzliche Berücksichtigung der spannweitigen Störausbreitung untersucht. Für den Fall künstlich erzeugter breitbandiger Punktquellenstörungen, d.h. bei Präsenz nennenswerter 3D-Anteile im Störwellenfeld, liefert diese eine Verbreiterung des gedämpften Querwellenzahlbereichs. Desweiteren wird eine Reihe akustischer Effekte, basierend auf der akustischen Empfindlichkeit der Sensoren, der Schallabstrahlung durch die Aktuatoren und der akustischen Rezeptivität des Systems, bezüglich des Einflusses auf das Steuerungssystem untersucht.
Schlagwörter: Laminar-turbulente Transition; Tollmien-Schlichting Wellen; Schall; Rezeptivität; zeitlich-räumliche Dispersion; aktive Steuerung; adaptive Filter; mehrkanalig; Transitionsbeeinflussung; Widerstandsreduktion
