Messung der Wandschubspannung in Strömungen mit Stoß-Grenzschicht-Wechselwirkungen
Measurement of wall shear stress in flows with shock– boundary layer interactions
by Wieland Lühder
Date of Examination:2024-10-23
Date of issue:2025-02-24
Advisor:Dr. Erich Schülein
Referee:Prof. Dr. Dr. Andreas Dillmann
Referee:Prof. Dr. Martin Rein
Persistent Address:
http://dx.doi.org/10.53846/goediss-11103
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Abstract
English
In supersonic flight, shock-boundary layer interactions (SBLI) have a considerable influence on the performance and structural requirements of missiles and airplanes. The fundamental prediction of the acting forces and thermal loads is urgently needed for further research and development, but cannot yet be carried out with sufficient precision and general applicability. For a better understanding of these interactions, transonic 2D SGWW on a wing profile and the 3D SBLI caused by single fin on a flat plate in supersonic flows are analysed in this thesis. In addition to wall pressure measurements, quantitative infrared thermography is used to determine the heat flux density and oil film interferometry to measure the wall shear stress. With the well resolved, spatial measurement data, previous predictions regarding maximum heat loads and friction coefficients can be made more precise, and the wall shear stress in 2D separation bubbles can also be measured quantitatively. The quasiconical symmetry known for the 3D-SBLI of the semi infinite, sharp fin is examined for realistic applications and applied to other measured values such as the local direction of the wall flow lines. As a deviation from the canonical configuration, the influence of the leading edge geometry of the fin on the subsequent interaction region is investigated. Both wedges with an increasing curvature from a leading edge parallel to the inflow up to the nominal fin angle and blunt fins shift the onset of quasiconical symmetry downstream and thus have a significant influence on local heat loads. All methods used experimentally are critically analysed for their applicability in shortterm wind tunnels. Typical measurement errors, which are often estimated to be negligible in the literature, are quantified using numerical flow simulations carried out in parallel. These include the influence of pressure gradients and gravity on the movement of the thin oil film, as well as the adiabatic temperature. Through a robust experimental realisation of the oil film interferometry, further development of the evaluation routines and usage of numerical data, these effects can be isolated and new limits can be found within which the simplified data analysis is valid. In addition to the applied oil film interferimetry, new experimental methods for the indirect estimation of the wall shear stress based on the optical flow were also analysed. These enable significantly simpler experimental measurements, but have not yet been sufficiently validated with comparative data from conventional measurements. The detailed data set of several flow parameters in numerous model configurations recorded here not only improves the understanding of the SGWW under investigation, but also of the measurement techniques used and the relevant sources of error.
Keywords: Wind tunnel; shock-wave boundary layer interaction; Oil film interferometry
German
Im Überschallflug haben Stoß-Grenzschicht-Wechselwirkungen (SGWW) einen erheblichen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit, aber auch auf die strukturellen Anforderungen von Flugkörpern. Die grundlegende Vorhersage der wirkenden Kräfte und Wärmelasten ist für weitere Forschungsarbeiten und Entwicklungen dringend nötig, kann aber noch nicht in ausreichender Präzision und allgemeiner Anwendbarkeit getätigt werden. Für ein besseres Verständnis dieser Interaktionen werden in dieser Arbeit transsonische 2D SGWW an einem Flügelprofil sowie die durch einen Keil auf einer ebenen Platte verursachte 3D SGWW in Überschallströmungen untersucht. Dabei wird in mehreren Windkanalexperimenten neben Wanddruckmessungen die Quantitative Infrarot Thermographie zur Bestimmung der Wärmestromdichte und die Ölfilminterferometrie zur Vermessung der Wandschubspannung eingesetzt. Mit den fein aufgelösten, flächigen Messdaten können bisherige Vorhersagen bezüglich maximaler Wärmelasten und Reibungsbeiwerte präzisiert und auch die Wandschubspannung unter 2D Ablöseblasen quantitativ vermessen werden. Die bekannte quasikonische Symmetrie der 3D-SGWW des hypothetischen, halbunendlichen Keils wird für die realistischen Anwendungsfälle analysiert und die Gültigkeit dieser Symmetrie für verschiedene Messgrößen bewertet. Als Abweichung zur kanonischen Konfiguration wird untersucht, wie stark der Einfluss der Vorderkantengeometrie des Keils auf das nachfolgende Interaktionsgebiet ist. Sowohl Keile mit einer zunehmenden Krümmung der Kompressionsfläche als auch Keile mit stumpfer Vorderkante verschieben den räumlichen Gültigkeitsbereich der quasikonischen Symmetrie stromab und haben damit einen deutlichen Einfluss auf die lokalen Wärmelasten. Alle experimentell eingesetzten Methoden werden dabei kritisch auf ihre Anwendbarkeit in Kurzzeitkanälen untersucht. Mit parallel durchgeführten numerischen Strömungssimulationen werden typische Messfehler quantifiziert, welche in der Literatur häufig als vernachlässigbar abgeschätzt und nicht betrachtet wurden. Dazu gehört der Einfluss von Druckgradienten und Gravitation auf die Bewegung des dünnen Ölfilms, sowie die adiabate Strömungstemperatur in Wandnähe. Durch eine robuste experimentelle Umsetzung der Ölfilminterferometrie, die Weiterentwicklung der Auswerteroutinen und die Unterstützung durch numerische Daten können diese Effekte isoliert betrachtet und neue Grenzen gefunden werden innerhalb derer die vereinfachte Datenanalyse gültig ist. Zusätzlich zur angewendeten Ölfilminterferometrie wurden auch neue experimentelle Methoden zur indirekten Abschätzung der Wandschubspannung auf Basis des in anderen Messtechniken bereits verwendeten optischen Flusses analysiert. Diese ermöglichen deutlich einfachere experimentelle Messungen, wurden bislang aber noch nicht ausreichend mit Vergleichsdaten konventioneller Messungen validiert. Der hier aufgenommene, ausführliche Datensatz mehrerer Strömungsparameter in zahlreichen Modellkonfigurationen verbessert nicht nur das Verständnis der untersuchten SGWW, sondern auch der eingesetzten Messtechniken und die relevanten Fehlerquellen.
Schlagwörter: Windkanal; Stoß-Grenzschicht-Wechselwirkungen; Ölfilminterferometrie
