Beeinflussung des laminar-turbulenten Grenzschichtumschlags durch kontrollierte Anregung stationärer Querströmungsinstabilitäten
Control of laminar-turbulent transition by controlled excitation of stationary crossflow instabilities
von Hans Peter Barth
Datum der mündl. Prüfung:2021-04-20
Erschienen:2021-07-09
Betreuer:Prof. Dr. Andreas Dillmann
Gutachter:Prof. Dr. Andreas Dillmann
Gutachter:Prof. Dr. Martin Rein
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http://dx.doi.org/10.53846/goediss-8718
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Zusammenfassung
Englisch
The delay of laminar-turbulent transition, e.g. on aircraft wings, is of special interest because of the possible drag reduction. To study a nonlinear method for delaying crossflow-dominated transition called Upstream Flow Deformation (UFD), a new experimental configuration with an unstable, three-dimensional boundary-layer was designed and set up. It was based on the experimental configuration known in literature as DLR swept-wing reference experiment. In the UFD context, it is known that additional artificially excited stationary crossflow instabilities (CFI) can lead to delayed transition. In the scope of this thesis, two concepts for such an artificial excitation were studied. In one case, stationary CFI were excited by spanwise periodic heating of the model surface. In the other case, a spanwise row of rotating disks, integrated into the model surface, was used. Both concepts have not been studied within this context and the question of their applicability within the UFD method was a central part of the thesis goal. Grid-like boundary-layer measurements were conducted using hot-wire anemometry in the One-Meter wind tunnel in Göttingen and their interpretation was supported by linear local stability analysis (LST). For both concepts the artificial excitation of stationary CFI was successful and was quantified relative to a respective suitable control parameter. In addition to this, the influence of actuation location and the length of the heating elements was studied for heating actuation. For rotational actuation, the influence of the rotational direction was studied. With heating actuation, a reduction of the CFI amplitude, which was to be excited, was observed in some cases. This was interpreted as a destructive superposition of the excitation by heating and the excitation by roughness. Transition delay was not achieved but detailed measurements led to a sufficient understanding of the reasons for this. In principle, the applicability of both excitation concepts within the UFD method was confirmed.
Keywords: Upstream Flow Deformation; Crossflow; Laminar-turbulent; Transition; UFD; Surface Heating; Rotating Disks; SPECTRA
Deutsch
Die Verzögerung des laminar-turbulenten Grenzschichtumschlags (Transition), bspw. an Flugzeugtragflügeln, ist insbesondere wegen der möglichen Reduktion des Reibungswiderstands von Interesse. Zur Untersuchung einer nichtlinearen Verzögerungsmethode für querströmungsdominierte Transition namens Upstream Flow Deformation (UFD) wurde eine neue experimentelle Konfiguration mit einer instabilen dreidimensionalen Grenzschicht ausgelegt und aufgebaut. Als Vorbild diente die experimentelle Konfiguration, die in der Literatur als DLR-Prinzipexperiment der schiebenden ebenen Platte bekannt ist. Zur UFD-Methode ist bekannt, dass zusätzliche, künstlich angeregte stationäre Querströmungsinstabilitäten (QSI) zu einer Transitionsverzögerung führen können. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei Konzepte für eine solche künstliche Anregung untersucht. Die stationären QSI wurden dabei in einem Fall durch spannweitig periodische lokale Heizung der Modelloberfläche angeregt. Im zweiten Fall wurde dafür eine spannweitige Reihe von in der Oberfläche integrierten, rotierenden Scheiben verwendet. Beide Konzepte wurden bisher in diesem Kontext nicht untersucht und die Frage ihrer Anwendbarkeit in der UFD-Methode war ein zentraler Teil der Zielsetzung. Es wurden rasterförmige Grenzschichtmessungen mithilfe der Hitzdrahtanemometrie im Ein-Meter-Windkanal in Göttingen durchgeführt, deren Interpretation durch lineare lokale Stabilitätsuntersuchungen (LST) unterstützt wurde. Für beide Konzepte war die künstliche Anregung stationärer QSI erfolgreich und wurde jeweils in Abhängigkeit eines geeigneten Steuerparameters quantifiziert. Bei der Heizanregung wurde dabei auch der Einfluss der Aktuierungsposition und der Länge der Heizelemente untersucht. Bei der Rotationsanregung wurde der Einfluss des Drehsinns der Scheiben untersucht. Bei der Heizanregung wurde in manchen Fällen eine Reduktion der Amplitude der eigentlich anzuregenden stationären QSI beobachtet. Dies wurde als destruktive Superposition der Heizanregung mit der Anregung durch die Rauigkeitseigenschaft der Heizelemente interpretiert. Eine Transitionsverzögerung wurde nicht erreicht. Durch detaillierte Messungen konnten die Gründe dafür ausreichend nachvollzogen werden. Die prinzipielle Anwendbarkeit beider Anregungskonzepte in der UFD-Methode wurde bestätigt.
Schlagwörter: Upstream Flow Deformation; Querströmung; Laminar-turbulent; Transition; UFD; Rotierende Scheiben; SPECTRA; Heizung
