Inverse Modalzerlegungsmethode zur vollständigen Bestimmung von Freistromstörungen in supersonischen Strömungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Rolf Radespiel; Professor Dr.-Ing. Wolfgang Schröder
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 520690340

Windkanäle sind für die Untersuchung der Transition laminar-turbulent von Wandgrenzschichten bei Hyperschallfluggeräten eine Notwendigkeit, da diese Strömungen zahlreiche physikalische Phänomene aufweisen, die mit numerischen Simulationen bei den relevanten Reynoldszahlen des Fluges nicht ausreichend genau berechnet werden können. Windkanalversuche werden aber durch die unvermeidlichen Störungen der Zuströmung in der Messstrecke signifikant beeinflusst, wobei allgemein Schallwellen, Fluktuationen der Entropie und Fluktuationen der Wirbelstärke des Geschwindigkeitsfelds auftreten. Diese müssen über den relevanten Frequenzbereich der instabilen laminaren Grenzschichten quantifiziert werden. Die Identifikation dieser Störungen ist im Hyperschall ein seit mehr als 60 Jahren ungelöstes Problem, da es bisher an zeitauflösender Strömungsmesstechnik fehlte und keine Fähigkeit bestand, die physikalischen, reduzierten Modelle der Störungen in Windkanälen zu validieren. Durch die Ausnutzung jüngster Fortschritte in der zeitauflösenden Messtechnik von Drücken, Geschwindigkeiten und der Fluiddichte und mittels hochauflösender Strömungssimulationen für eine mittelgroße Versuchsanlage, die den weltweiten Stand der Technik repräsentiert, soll in dem beantragten Forschungsprojekt dieses bedeutende Problem der Hyperschallaerodynamik gelöst werden. Das Aerodynamische Institut der RWTH Aachen University wird die Windkanalströmung des hypersonischen Ludwieg-Rohrs der TU Braunschweig vom Speicherrohr bis zur Messstrecke mit allen Quellen der Störungen der Zuströmung in der Messstrecke turbulenzauflösend numerisch berechnen. Aus den Simulationsdaten können die relevanten Störmoden der Messstrecke extrahiert und quantifiziert werden. Hochauflösende Simulationen der Umströmung von Staudrucksonden in der Messstrecke werden verwendet, um günstige Sondengeometrien zur Identifikation gerichteter Wellenausbreitung zu bestimmen. Das Institut für Strömungsmechanik in Braunschweig wird die Particle Image Velocimetry für die Messung von Geschwindigkeitsschwankungen und die Methode der Focussed Laser Differential Interferometry für Dichteschwankungen durch gezielte Erweiterungen und Kalibrierungen bis zu einer zeitlichen Auflösung von etwa 300kHz ausdehnen und die verbleibenden Messunsicherheiten bestimmen. Zusammen mit den Ergebnissen der neuen Staudrucksonden werden so fundierte Rückrechnungen auf das Störungsmodell von Schallwellen, Schwankungen der Entropie und Schwankungen der Wirbelstärke mittels der Bayes‘schen Methode der Unsicherheitsquantifizierung ermöglicht. Diese sind die Grundlage für zukünftig fundierte Rezeptivitätsanalysen des Grenzschichtverhaltens in Hochgeschwindigkeitswindkanälen. Die jahrelange numerisch-experimentelle Zusammenarbeit zwischen Aachen und Braunschweig ist die Basis, um dieses herausfordernde Problem der Modalzerlegung in hypersonischen Strömungen erfolgreich zu bearbeiten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen