Numerische und experimentelle Untersuchung zur Abschwächung stromauf laufender Druckwellen bei transsonischer Profilumströmung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im vorliegenden Projekt wurde sowohl numerisch als auch experimentell die Abschwächung stromauf laufender Druckwellen in transsonischer Strömung an einem generischen und einem superkritischen, zweidimensionalen Profilen untersucht. Hierzu wurde eine vielseitige Auswahl an Profilmodifikationen betrachtet. Zunächst erfolgte die Untersuchung der Druckwellen an einem generischen Modell mit ebenem Mittelteil und stumpfer Hinterkante. Mit dieser Konfiguration war es möglich, Wellen mit einer zeitlich konstanten Frequenz und Amplitude ohne Einfluss eines Druckgradienten zu analysieren. Charakteristisch für eine solche Strömung um einen zweidimensionalen, stumpfen Körper ist eine regelmaßige Wirbelstaße im Nachlauf, welche in diesem Fall auch die stromauf laufenden Druckwellen verursacht. Die Versuchsreihen bestätigen für den betrachteten Stromungsparameterbereich die Unabhängigkeit der Wellenamplitude von der Reynoldszahl, welche bereits in früheren Untersuchungen am superkritischen BAC Profil festgestellt wurde. Eine fundamental neue Erkenntnis war hingegen die starke Kopplung der Wellenamplitude mit der Machzahl, wobei die Amplitude mit steigender Strömungsmachzahl abnimmt. Die Frequenz der Wellen ist hingegen direkt mit derjenigen der Wirbelstraße gekoppelt, wobei für diese eine von Mach- und Reynoldszahl unabhängige Strouahlzahl von etwa 0,25 bestimmt werden konnte. Anschließend wurden die stumpfen Hinterkanten mit Sägezähnen verschiedener Länge versehen. Diese konnten in Abhängigkeit ihrer Länge die Wirbelstraße und somit auch die Druckwellen dämpfen. Bei der maximalen Sägezahnlange konnten diese sogar vollstandig gedämpft werden. Es folgte die Untersuchung des Druckwellenverhaltens am superkritischen Profil BAC 3-11. Anhand einer umfangreichen Messreihe konnte das überaus komplexe Verhalten der Wellen bestimmt und analysiert werden. Dies war als Basis für die folgenden Experimente zur Dämpfung der Druckwellen unerlaässlich. An die Hinterkante wurden verschiedene Zacken und Bürsten angebracht, wobei die Hinterkantenbürsten wahrscheinlich durch die Flexibilität der Fasern eine größere Dämpfungswirkung hervorriefen als die Zacken. Mit Hilfe der Bürsten war es sogar möglich, die Bildung des Rekompressionsstoßes hin zu leicht höheren Machzahlen zu verschieben. Im letzten Teil des Projekts wurden MWG optimiert und im Bereich des Stoßfußes auf das BAC-Profil aufgebracht, um die Entstehung von Druckwellen infolge einer Wirbel/Stoß-Interaktion zu dämpfen. Die numerischen Ergebnisse zeigen eine starke Interaktion des Spannweiten orientierten Wirbels mit dem Nachlauf der MWG, was zu einer schnellen Desintegration dieses Wirbels führt. Die Vermutung, dass MWG für diese Zwecke eingesetzt werden können, wurde somit bestätigt. Ebenso wurden die Spannweiten orientierten Wirbelstrukturen in der dreidimensionalen Strömung detektiert und als Ursache für ein stark instationäres Strömungsgebiet am Stoßfuß identifiziert. Der Vergleich dieses Strömungsgebietes für den Referenzfall und für den Fall mit MWG zeigt die erwünschte Wirkungsweise der MWG. Die 2D-Wirbel/Stoß-Interaktion wird verhindert und eine Stoßstabilisierung erreicht. Das Druckfeld zeigt ein nahezu konstantes Verhalten, da der Hauptstoß, der im Referenzfall durch die Wirbel aufgespalten wird, sich infolge der quasistationäaren turbulenten Grenzschicht ortsfest einstellt und der Wellenentstehungsmechanismus aufgrund der 2D-Wirbel/Stoß-Interaktion vermieden wird.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- A numerical study of pressure/shock waves interactions in transonic airfoil flow using optimized WENO schemes, 48th AIAA Aerospace Sciences Meeting, Orlando, USA 2010, AIAA 2010 - 924
I. Klioutchnikov, H. Olivier
- Numerical simulation of upstream moving pressure waves in transonic airfoil flow. New Results in Numerical and Experimental Fluid Mechanics VII, 112, 159-166, 2010
V. Hermes, I. Klioutchnikov und H. Olivier
- Wave processes in transonic airfoil flows. In: 28th International Symposium on Shock Waves, Manchester, Juli, 2011 - 2486
V. Hermes, J. Nies, I. Klioutchnikov und H. Olivier
- Linear stability of WENO schemes coupled with explicit Runge-Kutta schemes. Numerical Methods in Fluids, 69, 1065-1095, 2012
V. Hermes, I. Klioutchnikov und H. Olivier
- Numerical investigation of unsteady wave phenomena for transonic airfoil flow. Aerospace Science and Technology, 25, 224-233, 2013
V. Hermes, I. Klioutchnikov und H. Olivier
