Aktive Strömungsbeeinflussung bei Konfigurationen mit Vorderkantenwirbeln
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem Projekt wurden zwei Mechanismen zur Wirbelbeeinflussung an einem generischen Deltaflügel im Hinblick auf die Beeinflussung der Deltaflügelaerodynamik untersucht. Durch periodische Anregung der abgelösten Scherschicht, zum einen mittels Klappenbewegung und zum anderen durch Ausblasen an der (scharfen) Vorderkante, werden typische instationäre Phänomene im Vorderkantenwirbelsystem gezielt beeinflusst, um das Wirbelaufplatzen zu verzögern oder das Wiederanlegen der Strömung zu erreichen. Die Analyse des Strömungsfeldes, der Oberflächendruckverteilung und der auftretenden aerodynamischen Lasten erfolgte sowohl experimentell als auch numerisch an einem generischen Deltaflügel (VFE-2-Geometrie), ohne und mit Strömungsbeeinflussung. Für die Windkanalmessungen wurden zwei Halbmodelle mit Aktuierung entwickelt und gefertigt. Das periodische Ausblasen geschieht durch Druckluft, Schnellschaltventile und in die Vorderkante integrierte Druckkammern. Beim Öffnen der Ventile strömt Luft in die Druckkammer und gelangt durch normal zum Flügel angeordnete Schlitzpaare in die Außenströmung. Der zweite Mechanismus besteht aus konturfolgenden Vorderkantenklappen, die von Linearmotoren angetrieben sind. Die zugehörige Messtechnikanwendung und Auswertemethoden konnten innerhalb des Projektes deutlich erweitert werden. Es fanden Korrelationsmessungen mit zwei Hitzdrahtsonden statt, um Raumzeitkorrelationen der Geschwindigkeitsfluktuationen zu analysieren. Die Stereo-PIV-Messtechnik wurde für Halbmodellmessungen angepasst und phasengemittelte PIV-Messungen durch die Synchronisation der periodischen Aktuierung mit der PIV-Triggereinheit realisiert. Seitens der Numerik wurde die aktive Kontrolle der Strömung in ANSYS/CFX realitätsgetreu modelliert und mit den Windkanaldaten validiert. Insgesamt konnte eine Vielzahl von Fällen und Parametervariationen untersucht werden, wodurch eine sehr umfangreiche Datenbasis vorliegt. Innerhalb der ersten Förderperiode konzentrierten sich die Untersuchungen auf den vollentwickelten und teilaufgeplatzten Vorderkantenwirbel. Die Anregungsfrequenz hat dabei einen entscheidenden Einfluss auf den Wirbelaufplatzvorgang. Die maximale Stromabverschiebung wird erzielt, wenn die Aktuierungsfrequenz der natürlichen spiralförmigen Instabilität entspricht. In der zweiten Förderperiode wurden die Untersuchungen auf höhere Anstellwinkel, nämlich den Stallund Poststall-Bereich, erweitert. Dabei ist der Vorderkantenwirbel komplett aufgeplatzt bzw. nicht mehr ausgebildet. Der Auftrieb kann bei diesen extremen Flugzuständen durch das periodische Ausblasen deutlich erhöht werden. Speziell im Poststall kann der Zerfall des Primärwirbels verzögert oder sogar unterdrückt werden, was zur signifikanten Erhöhung des Auftriebsbeiwerts und positiver Beeinflussung der Roll- und Nickstabilität führt. Die phasen- und frequenzangepasste Strömungskontrolle beeinflusst die aerodynamischen Eigenschaften weniger signifikant als die synchrone Aktuierung. Diese verursacht gemäß den phasengemittelten PIV-Daten und der CFD-Rechnungen frühzeitig diskrete Wirbel, die spiralförmig um ein Rotationszentrum rotieren und die Strömung stabilisieren. Die gewonnen Erkenntnisse sind in einen Konzeptentwurf für eine gesteuerte Aktuierung eingeflossen. Dabei erfolgt die Anregung abhängig vom Strömungszustand mit der optimalen Frequenz.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2017) Experimental investigation of high-incidence delta-wing flow control. Exp Fluids (Experiments in Fluids) 58 (9)
Buzica, Andrei; Bartasevicius, Julius; Breitsamter, Christian
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Delta Wing Flow Control for the Stall and Post-Stall Regime, Tagungsband des 63. Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress, DLRK2014-0126, Augsburg, 16.-18. Sept. 2014, pp. 1-10
Kölzsch., A., and Breitsamter, C.
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Vortex-flow Manipulation on a Generic Delta-Wing Configuration, Journal of Aircraft, Vol. 51, No. 5, 2014, pp. 1380–1390
Kölzsch, A., and Breitsamter, C.
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Active Vortex Flow Control on a Generic Delta Wing, ICAS Proc., 30th Congress of the International Council of the Aeronautical Sciences, ICAS-2016-6.9.4, Daejon, Korea, Sept. 25-30, 2016, pp. 694.1–694.11
Buzica, A., Bartasevicius, J., and Breitsamter, C.
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Discrete Vortices on Delta Wings with Unsteady Leading-Edge Blowing, AIAA Paper 2016-3170, 8th AIAA Flow Control Conf., AIAA AVIATION Forum, Washington, DC, 2016
Bartasevicius., J., Buzica, A., and Breitsamter., C.
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Dynamic Actuation for Delta Wing Post Stall Flow Control, NNFM, Vol. 132, 2016, pp. 823-832, ISBN 978-3-319-27278-8
Kölzsch, A., Blanchard, S., and Breitsamter, C.
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Wall Modeled Large Eddy Simulation of a Delta Wing with Round Leading Edge, NNFM, Vol. 132, 2016, pp. 607-616, ISBN 978-3-319-27278-8
Zwerger, C., Hickel, S., Breitsamter, C., and Adams, N.
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(2018) Experimental and Numerical Investigation on Delta-Wing Post-stall Flow Control. In: Dillmann A. et al. (eds) New Results in Numerical and Experimental Fluid Mechanics XI. Notes on Numerical Fluid Mechanics and Multidisciplinary Design, vol 136. Sp
Buzica, A., and Breitsamter, C.
