Anforderungen und Potenziale der Laminarhaltung aus wissenschaftlicher Sicht

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1 Anforderungen und Potenziale der Laminarhaltung aus wissenschaftlicher Sicht Ulrich Rist Institut für Aerodynamik und Gasdynamik Universität Stuttgart Pfaffenwaldring Stuttgart 1

2 Physikalisches Problem Reibungswiderstandsanteile Unterschalltransporter 45% Überschalltransporter 40% Executive Jets 53% Kampfflugzeuge (transsonisch) 47% Kampfflugzeuge (Überschall) 23% Helikopter (single rotor) 25% 2

3 Begriffe (Zuströmung) laminare Strömung turbulente Strömung Übergang = Transition 3

4 Ein Vergleich laminare Grenzschicht glatt & gleichmäßig kann zweidimensional sein geringe Wandreibung löst leicht ab schlechtes Mischungsverhalten turbulente Grenzschicht rau & zufällig dreidimensional hohe Wandreibung (Widerstand & Aufheizung) löst schwer ab gutes Mischungsverhalten (Verbrennung) 4

5 Physikalisches Problem Grundlagenforschung soll Beiträge zu Verständnis, Vorhersage und Beeinflussung der Transition liefern A. Krumbein, DLR laminare Strömung 5

6 Transitions-Mechanismen 7

7 Transitions-Beeinflussung Motivation: Widerstandsreduktion (Reibung / Druck) Auftriebserhöhung Wirkungsgradsteigerungen (Verbrennung) 10.1 Passive Beeinflussung Formgebung 10.2 Aktive (stationäre) Beeinflussung Heizen/Kühlen, Absaugen, diskrete Rauigkeitselemente, Stoffzusätze, Plasma- Aktuatoren 10.3 Aktive (instationäre) Beeinflussung Schall, AWC, Feedback-Control, flexible Wand 8

8 Passive Beeinflussung (Formgebung) Druckverlauf der Potentialströmung hat direkten Einfluss auf Stabilität und Ablösegefahr und somit auf den Widerstand Typisches Beispiel: Laminarprofil 9

9 Passive Beeinflussung (Formgebung) c w c a 10

10 Physikalisches Problem A. Krumbein, DLR laminare Strömung 11

11 Skalierung mit der Reynoldszahl Bsp. Luftschiffkörper Quelle: Thorsten Lutz, IAG 12

12 Aktive (stationäre) Beeinflussung Kühlen und Absaugen an der Wand stabilisiert die Grenzschicht 13

13 Aktive (stationäre) Beeinflussung Bsp.: HLF (Hybrid Laminar Flow) Airbus ca

14 Aktive (stationäre) Beeinflussung Kontrollierte Rauigkeit Discrete Roughness Elements DRE Upstream Flow Deformation UFD 15

15 discrete roughness smooth wall 16

16 Discrete Roughness Elements DRE W. Saric et al.: Flight Testing of Laminar Flow Control in High-Speed Boundary Layers 17

17 Discrete Roughness Elements DRE W. Saric et al.: Flight Testing of Laminar Flow Control in High-Speed Boundary Layers dunkel = laminar 18

18 Upstream Flow Deformation UFD M. Kloker, IAG LuFo IV: AeroNext: Flow Control Aktive Laminarhaltung an Pfeilflügeln Natürliches Szenario Mit UFD 19

19 Absaugung in der 3-D-Grenzschicht M. Kloker, IAG Diskrete Absaugelöcher sind für die Laminarhaltung schädlich Verstärkung von Querströmungswirbeln durch hintereinander liegende Löcher Anregung unerwünschter Störungen durch Fertigungsabweichungen Abhilfe: Absaugeschlitze Geeignete Anordnung der Schlitze Smart Suction Pinpoint Suction (zur Verhinderung der Sekundärinstabilität) 20

20 Smart Suction Durch Absaugen verstärkte Querströmungswirbel schlaue Anordnung der Absaugeschlitze M. Kloker, IAG Ergebnis mit smart suction 21

21 Aktive (instationäre) Beeinflussung AWC (Active Wave Control) Feedback Control Nachgiebige Wand Compliant Wall elektromagnetische Felder 22

22 Aktive (instationäre) Beeinflussung AWC (Active Wave Control) nach dem Wellensuperpositionsprinzip A 1 sin ( t) + A 2 sin ( t + ) = A sin ( t + ) A U. Rist, DLR Braunschweig sehr empfindlich gegenüber Phasenfehlern 23

23 AWC (Active Wave Control) Control Control Strip Control Strip Control Strip Strip Effizienz nimmt ab, je näher die Turbulenz 24

24 Feedback Control Widerstandsreduktion in turbulenter Kanalströmung (DNS) 20-40% Reduktion Nichtlineare Strömung 25

25 AWC & Feedback Control im dir. Vergleich 2D-Mode (1,0) des K-Typ-Umschlags Wellensuperposition z -Control Position der Störstreifen 26

26 Nachgiebige Wand ( Delfinhaut ) feste Wand Die nachgiebige Wand verringert die Wachstumsraten von Störungen in etwa um 50 % nachgiebige Wand 27

27 Plasma Aktuatoren J. Kriegseis et al. AIAA vom Aktuator induzierte Strömung & Kräfte: 28

28 Zusammenfassung Laminarhaltung durch Formgebung ist die sicherste Methode Passive Maßnahmen (diskrete Rauigkeiten) sind vorstellbar Aktive Maßnahmen sind unterschiedlich aufwändig - (homogenes) Absaugen - Nachgiebige Wand - Wellensuperpositionsprinzip - Beschleunigen der Strömung (e.g. mit Plasma-Jet) 29

29 30

30 Hinzufügen von Stoffen Natur: Technik: Fischschleim Polymere vergl. Christopher M. White, M. Godfrey Mungal: Mechanics and Prediction of Turbulent Drag Reduction with Polymer Additives, Annual Review of Fluid Mechanics 40 (2008):

31 Hinzufügen von Stoffen 32

32 Hinzufügen von Stoffen 33

33 flow direction Hinzufügen von Stoffen PIV-Messung: Mechanics and Prediction of Turbulent Drag Reduction with Polymer Additives Christopher M. White, M. Godfrey Mungal Annu. Rev. Fluid Mech : ohne Polymer mit Polymer Computer Simulation: 34