Experimentelle Untersuchung der diskreten Absaugung durch Einzellocharrays mit der Laser-Doppler-Anemometrie

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Stefan Becker
• Subject Area: Fluid Mechanics
• Term: from 1999 to 2002
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5192924

Für die passive Laminarhaltung der Grenzschicht an Flügeln für Großraumflugzeugen reicht die Laminarhaltung durch Formgebung, wie sie schon erfolgreich bei Segelflugzeugen eingesetzt wurde nicht aus. Es ist erforderlich bei, aus Gründen der transonischen Umströmung, gepfeilten Flügeln eine Absaugung im Nasenbereich vorzunehmen. Dieses Konzept der Hybrid Laminarhaltung (Hybrid Laminar Flow Control) wird realisiert durch eine an die äußere Druckverteilung angepaßte Absaugung durch Lochblende, womit eine Stabilisierung der Grenzschicht gegenüber Instabilitäten erzielt wird. Erste diesbezügliche Flugversuche an einem Seitenleitwerk wurden bereits erfolgreich abgeschlossen. Dennoch sind viele Einzelheiten über das physikalische Verhalten der Strömung über Lochblenden mit ihren möglichen Auswirkungen auf die Stabilität und Störungserzeugung noch weitgehend unklar. So fehlen grundlegende Erkenntnisse wie z.B. über lokale Auswirkungen konzentriert hoher Absaugevolumenströme, den Einfluß von Lochunregelmäßigkeiten, sowie der gegenseitigen Beeinflussung von Lochreihen und deren Wirkung auf die Rezeptivität der Grenzschicht. Ziel der geplanten experimentellen Untersuchungen ist es, die bisher erzielten Erkenntnisse über die Strömungstopologie an einer Einzellochabsaugung zu erweitern auf Lochreihen mit verschiedenen Lochabständen und auf Einzellocharrays. Von besonderem Interesse ist dabei der Einfluß der Lochgröße, des Lochabstandes und der Absaugemenge auf die Rezeptivität der Grenzschicht. Als Referenzfall sollen zu Beginn Untersuchungen in einer zweidimensionalen Blasiusgrenzschicht durchgeführt werden. Die dabei zu erwartenden Erkenntnisse werden in den darauf folgenden Schritten erweitert auf zweidimensionale Grenzschichten mit Druckgradienten. Von abschließender übergeordneter Bedeutung ist es, mit den experimentellen Untersuchungen eine Basis zu schaffen, die Arbeiten auf dreidimensionalen Grenzschichten ausdehnen zu können. Der hier vorliegende Antrag umfaßt Forschungs- und Entwicklungsarbeiten, die in den ersten zwei Jahren eines auf drei Jahre geplanten Vorhabens vorgesehen sind. Für die Untersuchungen soll ein am LSTM-Erlangen vorhandener neuer brechungsindex-angepaßter Kanal mit einem Meßstreckenquerschnitt von 0.4m * 0.6m und einer Meßstreckenlänge von 2.5m genutzt werden. Seine Besonderheit besteht darin, daß als Strömungsfluid ein Öl Verwendung findet, dessen optischer Brechungsindex dem der Wandmaterialien des Kanals und der eingebauten Platten (Quarzglas) angepaßt werden kann. Daraus resultiert, daß die Grenzfläche zwischen Fluid und Wand optisch verschwindet, womit sehr wandnahe Geschwindigkeitsmessungen bei hoher räumlicher Aufläsung mit einer optischen Meßtechnik wie z.B. der Laser-Doppler-Anemometrie möglich werden. Es sollen alle drei Komponenten des Geschwindigkeitsvektors einschließlich der turbulenten Schwankungsgrößen sowie Komponenten des Reynolds'schen Spannungstensors bestimmt werden. Aufgrund der sehr wandnahen Messungen ist eine Bestimmung der lokalen Wandschubspannungsverteilung möglich. Weiterhin werden Informationen über die Anfachung bzw. Auslöschung von sich ausbildenden Instabilitätswellen aus den gemessenen Leistungsdichtespektren erwartet. Die geplanten experimentellen Untersuchungen stehen im engen Zusammenhang mit diesbezüglichen Direkten Numerischen Simulationen, die am Institut für Aerodynamik und Gasdynamik der Universität Stuttgart durchgeführt wurden. Aus diesem kombinierten Ansatz werden Erkenntnisse erwartet, die das strömungsphysikalische Verständnis der Absaugevorgänge und deren Dimensionierung entscheidend verbessern helfen und damit ein verbessertes Verständnis auf die Übertragbarkeit auf Großraumflugzeuge ermöglichen.

• DFG Programme: Priority Programmes
• Subproject of: SPP 1017: Transition