Entwicklung von Methoden der aktiven Strömungskontrolle mittels kontinuierlich arbeitender und gepulster Plasma-Aktuatoren bei Langsamflug Reynoldszahlen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem Projekt aus dem Förderprogramm "Ökoeffizientes Fliegen" wurde die aktive Strömungskontrolle an einem Flügelmodell untersucht und optimiert. Dabei kamen verschiedene Plasma-Aktuator-Designs zur Anwendung, da diese Aktuatoren Impulse direkt in der Strömung erzeugen können, ohne dabei "tote" Aktuatormasse zu bewegen. Die induzierten Strömungen wirken zunächst lokal innerhalb der Grenzschicht, können aber zu Veränderung des globalen Strömungsbildes führen. Plasma-Aktuatoren kommen für eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten in Frage und könnten die Ökoeffizienz in der zukünftigen Luftfahrt steigern, jedoch sind die generierten Impulse noch zu klein für reale Anwendungen. Das Hauptziel dieses Projektes ist den Anwendungsbereich von Plasma-Aktuatoren um den Bereich der Reynoldszahlen, wie sie beispielsweise bei Langsamflug auftreten, zu erweitern. Um den induzierten Impuls der Aktuatoren und deren Wirkung auf die Strömung zu steigern, wurden Untersuchungen in 3 Phasen durchgeführt. In der ersten Phase, die über 160 Versuche umfasste, wurden mehr als 50 verschiedenen Plasma-Aktuator-Designs anhand des direkten Vergleichs des erzeugten Schubs und der induzierten Jetgeschwindigkeit klassifiziert. In der Parameterstudie wurden die Elektrodenanordnung und -Design, Material und Formgebung des dielektrischen Isolators, sowie die Betriebsparameter variiert. Um ein besseres Gesamtbild vom Betriebszustand und den Energieverlusten zu bekommen, wurden gleichzeitig die Emission von Wärme, sichtbarer Strahlung und Lärm, sowie Temperaturen und Zustandsgrößen der Atmosphäre innerhalb der Messkammer erfasst. In der zweiten Phase wurde dann die Auswirkung der Aktuatoren auf eine Strömung untersucht. Mit den besten Aktuator-Designs aus der Parameterstudie wurden in einem Windkanal Grenzschichtversuche an einer 1 m langen ebenen Platte durchgeführt. Bei einer Anströmung mit knapp 30 m/s wurden mehrere Grenzschichtprofile der ebenen Platte im Abstand von ca. 75 cm stromab des Aktuators vermessen und die nachhaltige Wirkung der Aktuatoren auf die Strömung bewertet. In der letzten Phase wurden die bestmöglichen Aktuatoren ausgewählt und auf einem NACA0012 Flügelprofil implementiert. Auf der Oberfläche des Flügels, der zwischen den Seitenwänden des Windkanals befestigt wurde, wurden verschiedene Typen von Aktuatoren entsprechend ihrer Funktion, wie Strömungsumlenkung, Zirkulationskontrolle, Ablösekontrolle und Wirbelgenerierung angeordnet. Es wurde demonstriert, dass bei einer Anströmgeschwindigkeit von knapp 30 m/s und mit einer Anschlussleistung von knapp 150 VA die Auftriebs- und Widerstandspolaren beeinflusst werden können und das bei einen relativ niedrigen spezifischen Energieverbrauch von etwa 0.6 W je 1 cm Elektrodenlänge. Die erzielten Effekte und Auswirkungen auf die Polaren lassen sich mit den Effekten von Hochauftriebshilfen (Slats und Flaps) vergleichen. Im Gebiet des Strömungsabrisses konnte der kritische Anstellwinkel erhöht und der Verlauf der Hysterese verändert werden, und zwar so, dass die Strömung sich früher wieder anlegt. Der maximale Auftriebsbeiwert konnte um 10% gesteigert werden, bei gleichzeitiger Steigerung des Widerstandsbeiwertes um ebenfalls 10%.
