| dc.contributor.advisor | Dillmann, Andreas Prof. Dr. | |
| dc.contributor.author | Braune, Marc | |
| dc.date.accessioned | 2021-06-18T12:23:15Z | |
| dc.date.available | 2021-06-24T00:50:09Z | |
| dc.date.issued | 2021-06-18 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/21.11130/00-1735-0000-0008-5869-0 | |
| dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.53846/goediss-8675 | |
| dc.language.iso | deu | de |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ | |
| dc.subject.ddc | 530 | de |
| dc.title | Identifizierung eines Flattermechanismus an einem superkritischen Profil unter laminarer Strömung | de |
| dc.type | doctoralThesis | de |
| dc.title.translated | Identification of a flutter mechanism on a supercritical airfoil with laminar flow | de |
| dc.contributor.referee | Dillmann, Andreas Prof. Dr. | |
| dc.date.examination | 2021-06-02 | |
| dc.subject.gok | Physik (PPN621336750) | de |
| dc.description.abstractger | Die transsonische Umströmung von elastischen Körpern kann zu komplexen, nichtlinearen
aeroelastischen Wechselwirkungen führen. Bisher kaum untersucht sind dabei aeroelastische Systeme, bei denen die laminar-turbulente Grenzschichttransition eine zentrale
Rolle für die stationäre und instationäre Aerodynamik darstellt. Ein Zusammenspiel
dieser Komponenten führt an dem superkritischen CAST 10-2 Flügelprofil zu einem
neuartigen Flattermechanismus, welcher in der vorliegenden Arbeit untersucht und identifiziert wird. Hierzu wurden transsonische Windkanalexperimente mit zwangserregten
Nick- und selbsterregten Flatterschwingungen durchgeführt. Die Untersuchungen fanden
schwerpunktmäßig bei einer freien Grenzschichttransition in einem Mach-Zahl-Bereich
von 0, 73 . Ma∞ . 0, 75 bei einer Reynolds-Zahl von Re∞ ≈ 2 · 106 statt. Der neuartige Flattermechanismus wird auf Mach-Zahlen und Anstellwinkel eingegrenzt,
die mit dem oberen Übergangsbereich der Laminardelle des CAST 10-2 Flügelprofils zusammenfallen. Das aeroelastische Systemverhalten tritt als subkritische Hopf-Bifurkation
in Erscheinung. Der Flattermechanismus wird als Transitionsflattern identifiziert. Eine
freie Grenzschichttransition stellt hierfür eine notwendige Bedingung dar. Ferner führt
der neue Flattertyp zu einer Vergrößerung des instabilen Bereiches, einer Ausdehnung
des Transonic Dips. Für Strömungsparameter, bei denen das Transitionsflattern auftritt,
zeigen zwangserregte Nickschwingungen, dass ein Energietransfer von der Strömung
in die Struktur stattfindet. Dieser geht mit einer Phasenvoreilung des Nickmomentes
einher und tritt bei einer turbulenten Grenzschicht nicht auf. Eine im Rahmen dieser
Arbeit entwickelte Auswertungsmethodik ermöglicht dabei erstmalig auch die Auflösung
der nichtlinearen Dynamik der Position der laminar-turbulenten Grenzschichttransition
mitsamt der Stoß-Grenzschicht-Interaktion. Aerodynamische Grenzzyklusschwingungen,
die bei festen Anstellwinkeln im oberen Übergangsbereich der Laminardelle auftreten,
können so auf eine Oszillation der Transitionslage zurückgeführt werden. Ferner zeigt
sich eine Phasenvoreilung der Transitionsbewegung gegenüber der Bewegung des Verdichtungsstoßes und eine damit einhergehende Steuerung der Stoßlage. Die Existenz eines,
vom Flattern zu unterscheidenden Transitionsbuffets und dessen Interaktion mit dem aeroelastischen System können gezeigt werden. Der Übergang von einem aerodynamischen
in einen aeroelastischen Grenzzyklus werden experimentell aufgelöst. Diese Beobachtungen unterstützen die Hypothese, dass eine Instationarität des laminar-turbulenten
Grenzschichtumschlags ursächlich zum neuartigen Flattermechanismus führt.
Die Ergebnisse der Arbeit zeigen, dass aus bzw. mit der laminar-turbulenten Grenzschichttransition neuartige aerodynamische und aeroelastische Instabilitäten resultieren.
Hieraus leitet sich die Notwendigkeit ab, die laminar-turbulente Grenzschichttransition
in einer vollständigen aeroelastischen Systembewertung mit zu berücksichtigen. | de |
| dc.description.abstracteng | The transonic flow around elastic bodies can lead to complex, nonlinear aeroelastic
interactions. So far, hardly any aeroelastic systems have been investigated in which
the laminar-turbulent boundary layer transition plays a central role for the steady and
unsteady aerodynamics. An interaction of these components leads to a novel flutter
mechanism at the supercritical CAST 10-2 airfoil, which is investigated and identified in
the present work. For this purpose, transonic wind tunnel experiments with forced pitch
and self-excited flutter oscillations were performed. The investigations focused on a free
boundary layer transition in a Mach number range of 0.73 . Ma∞ . 0.75 at a Reynolds
number of Re∞ ≈ 2 · 106.
The novel flutter mechanism is confined to Mach numbers and angles of attack that
coincide with the upper transition region of the laminar drag bucket of the CAST 10-2
airfoil. The aeroelastic system behavior appears as a subcritical Hopf bifurcation. The
flutter mechanism is identified as transition-flutter. A free boundary layer transition
represents a necessary condition for this. Furthermore, the new type of flutter leads to
a larger unstable region, hence an extension of the transonic dip. For flow parameters
at which transition flutter occurs, forced pitch oscillations show that there is a transfer
of energy from the flow to the structure. This is associated with a phase lead of the
pitching moment and does not occur for a turbulent boundary layer. An evaluation
methodology developed within the framework of this study also enables the resolution
of the nonlinear dynamics of the laminar-turbulent boundary layer transition position
together with the shock-boundary layer interaction for the first time. Aerodynamic limit
cycle oscillations that occur at fixed angles of attack in the upper transition region
of the drag bucket, can thus be attributed to an oscillation of the transition position.
Furthermore, a phase lead of the transition movement with respect to the motion of
the compression shock and an associated control of the shock position is shown. The
existence of a transition-buffet, to be distinguished from flutter, and its interaction with
the aeroelastic system can be shown. The crossover from an aerodynamic to an aeroelastic
limit cycle is resolved experimentally. These observations support the hypothesis that an
unsteadiness of the laminar-turbulent boundary layer transition causally leads to the
novel flutter mechanism.
The results of this work demonstrate that novel aerodynamic and aeroelastic instabilities
result from or in combination with the laminar-turbulent boundary layer transition. This
requires the inclusion of the laminar-turbulent boundary layer transition in a complete
aeroelastic system assessment. | de |
| dc.contributor.coReferee | Rein, Martin Prof. Dr. | |
| dc.subject.ger | Flattern | de |
| dc.subject.ger | Transition | de |
| dc.subject.ger | Laminarprofil | de |
| dc.subject.ger | Grenzschicht | de |
| dc.subject.ger | Transitionsflattern | de |
| dc.subject.ger | Transitionsbuffet | de |
| dc.subject.ger | Flattermechanismus | de |
| dc.subject.eng | flutter | de |
| dc.subject.eng | transition | de |
| dc.subject.eng | laminar flow airfoil | de |
| dc.subject.eng | boundary layer | de |
| dc.subject.eng | transition flutter | de |
| dc.subject.eng | transition buffet | de |
| dc.subject.eng | flutter mechanism | de |
| dc.identifier.urn | urn:nbn:de:gbv:7-21.11130/00-1735-0000-0008-5869-0-6 | |
| dc.affiliation.institute | Fakultät für Physik | de |
| dc.description.embargoed | 2021-06-24 | |
| dc.identifier.ppn | 1760882267 | |