Experimentelle Untersuchung zur Wirkungsweise laserinduzierter Beeinflussungsmethoden für Hochgeschwindigkeitsströmungen
Final Report Abstract
Die Transition laminar-turbulent ist für zahlreiche aerodynamische Effekte von großer Bedeutung. Als Beispiele seien der Widerstand, das Ablöseverhalten und - bei hohen Machzahlen - die aerodynamische Aufheizung genannt. So ist der Wärmeeintrag bei turbulenter Umströmung im Hyperschall 3-8 mal so groß wie bei laminarer Umströmung. Trotz Fortschritten in den letzten Jahrzehnten reicht der bisherige Wissensstand nicht aus, die Transition in einer kompressiblen Grenzschicht zuverlässig vorauszusagen. Es gibt kein Modell, welches den Weg ausgehend von einem Störspektrum der Zuströmung bis hin zur Turbulenz beschreibt. Hierzu seien drei Gründe, die eine Durchdringung der Problemstellung bislang verhinderten, genannt: (i) die hohen Störpegel in konventionellen Hyperschall-Versuchsanlagen führen zu großen Abweichungen von Kanal zu Kanal, (ii) die Fähigkeiten der Messtechnik, die hochfrequenten Instabilitätswellen mit geringen Amplituden zu detektieren, sind begrenzt, (iii) eine künstliche Anregung von Instabilitätswellen ist sinnvoll, um reproduzierbare Wellen untersuchen zu können. Eine solche Anregung ist aufgrund der erforderlichen hohen Frequenzen und des nach Möglichkeit nicht-intrusiven Charakters schwierig zu realisieren. Dieses Projekt behandelte die Untersuchung des Grenzschichtverhaltens an einem spitzen Kegel mit 7° Halbwinkel auf Laser-induzierte Anregungen. Das Modell hat dabei keinen Anstellwinkel, so dass die relevante Grenzschichtinstabilität die zweite Mode ist. In diesem Projekt wurde gezeigt, dass sich als Folge einer solchen Anregung ein Wellenpaket eben dieser Instabilität entwickelt. Die im Rahmen dieser Untersuchungen durchgeführten Windkanalexperimente wurden zudem numerisch mit dem DLR-TAU Code nachgebildet und die Wellenentwicklung wurde auch mit theoretischen Abschätzungen nach der linearen Stabilitätstheorie verglichen. Bei den Untersuchungen wurden verschiedene Parameter variiert und ihre Einflüsse z.B. auf Frequenzgehalt, Anfachung und räumliche Erstreckung betrachtet. Die stimulierten Wellen wurden ferner mit Wellen verglichen, die als Folge der stochastischen Störungen in der Windkanalströmung angeregt wurden, und eine gute Übereinstimmung wurde bei diesen Vergleichen gefunden. Im Rahmen dieses Projektes wurden nach Kenntnis der Antragsteller erstmals Wellen der zweiten Mode auf optischem Wege angeregt. Das einzige in der Literatur veröffentlichte System, mit dem dieses zuvor gelungen war, basiert auf elektrischen Entladungen und ist somit intrusiv. Ein solches System wurde im Rahmen dieses Projektes zudem von dem IAG (Universität Stuttgart) aufgebaut. Diese Arbeiten hatten den Zweck, die neuartige optische Störtechnik mit einer verbreiteten und validierten Technik zu vergleichen. Eine mögliche Anwendung der gewonnenen Erkenntnisse besteht darin, die Daten bei der Entwicklung von Transitionsvorhersagemodellen zu verwenden. Die Ergebnisse ermöglichen zum einen eine teilweise Validierung theoretischer Modelle wie der Stabilitätstheorie. Ferner liefern die Experimente Daten über das Verhalten der Wellen (z.B. die kritische Amplitude, ab welcher nichtlineare Effekte einsetzen). Auch die separate Betrachtung der Sensitivität der Grenzschicht auf Temperaturstörungen und auf Störungen durch akustische Wellen stellt eine Information dar, die für die theoretische Modellierung der Rezeptivitätsvorgänge bedeutsam sein wird. Als weiteres Ergebnis kann die Charakterisierung und Inbetriebnahme des Laser-basierten Störgenerators betrachtet werden. Damit ist es nun möglich, definierte Wellenpakete der zweiten Mode Instabilität zu erzeugen. Dies ist zum Beispiel für Untersuchungen in komplexeren Strömungsfeldern von Bedeutung. Als Beispiel sei die Interaktion solcher Wellenpakete mit Rauhigkeiten oder Interaktionen mit anderen Instabilitäten (z.B. mit der Querströmungsinstabilität am angestellten Kegel) genannt.
Publications
- "New Results in Numerical and Experimental Fluid Mechanics VII", Notes on Numerical Fluid Mechanics and Multidisciplinary Design (NNFM), Volume 112, Springer, 2010
Heitmann, D.; Kähler, C. J.; Radespiel, R., Investigation of Laser Generated Perturbations for Boundary Layers Stability Experiments, in “A. Dillmann, G. Heller, M. Klaas, H.-P. Kreplin, W. Nitsche, W. Schröder
- Investigation of the response of a hypersonic 2D boundary layer to controlled acoustic disturbances, AIAA-2010-536, 48th AIAA Aerospace Sciences Meeting, Orlando, Florida, 2010
Heitmann, D.; Radespiel, R.; Kähler, C. J.
- Nonintrusive generation of instability waves in a planar hypersonic boundary layer, Experiments in Fluids, Volume 50, Issue 2, Page 457, 2010
Heitmann, D.; Kähler, C. J.; Radespiel, R.; Rödiger, T.; Knauss, H.; Wagner, S.
(See online at https://doi.org/10.1007/s00348-010-0949-2) - Experimental Study of Mach 6 Boundary Layer Response to Laser Generated Disturbances, AIAA-2011-3876, 41st AIAA Fluid Dynamics Conference and Exhibit, Honolulu, Hawaii, 2011
Heitmann, D., Radespiel, R., Knauss, H.
- Simulation of the interaction of a laser generated shock wave with a hypersonic conical boundary layer, AIAA-2011-3875, 41st AIAA Fluid Dynamics Conference and Exhibit, Honolulu, Hawaii, 2011
Heitmann, D., Radespiel, R.
- Perspectives of Laser-Generated Disturbances for Stability Experiments, eingereicht bei NATO RTO AVT-200 Specialists Meeting, San Diego, 16.-19. April 2012
Heitmann, D.; Radespiel, R.
