Abbildung einer Zweistromdüse auf ein kaltdurchströmtes. als Grundlage zur Erforschung des Strahlklappeneffekts
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- Friedrich Rothbauer
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1 DLR.de Folie 1 3. WORKSHOP STRÖMUNGSSCHALL In Luftfahrt, Fahrzeug- und Anlagentechnik Sitzung 2 Strahllärm 13:55-14:20 Uhr: Abbildung einer Zweistromdüse auf ein kaltdurchströmtes aeroakustisches Triebwerksmodell als Grundlage zur Erforschung des Strahlklappeneffekts Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.v. (DLR) Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik Technische Akustik Aeroakustischer Versuch Christian Jente Dirk Boenke
2 DLR.de Folie 2 Motivation Strahlklappeneffekt Abbildung: Bei UHBR-Triebwerken könnten die Strahlklappeninteraktion die Akustik entscheidend beeinflussen. Abbildung: An der Strahlklappeninteraktion beteiligte Strömungen. Abbildungen: Bisherige Untersuchungen im Aeroakustischen Windkanal Braunschweig (AWB) des DLR an einer Einstromdüse. Bildrechte: DLR / M. Pott-Pollenske
3 DLR.de Folie 3 Gliederung: Der kalte Kernstrahl wirkt sich in Bezug auf die Skalierungen der Düsenströmungen aus. 1. Änderung der Größen in der Düsenaustrittsebene FF Änderung der Größen stromab der Düse und im Bereich der Klappe: > Bewertungskriteren F.9 > Auswertung FF Zusammenfassung der Ergebnisse F.24 Ausblick F.25
4 DLR.de Folie 4 1 DÜSENAUSTRITT
5 DLR.de Folie 5 Eine kalte Kernströmungstemperatur am Düsenaustritt verändert die Strömungskenngrößen. BASELINE Ähnl. Totalenth.strom Ähnlicher Massenstrom A Kerngeometrie richtig skaliert A Kerngeometrie richtig skaliert A Kerngeometrie angepasst K spez/intensiv Erhaltg K spez/intensiv Erhaltg K spez/intensiv Erhaltg Sr p ρ T ṁ μ Sr p ρ T ṁ μ Sr p ρ T ṁ μ Ma U a Ma U a Ma U a Re cp γ h 0 Ḣ 0 V Re cp γ h 0 Ḣ 0 V Re cp γ h 0 Ḣ 0 V
6 DLR.de Folie 6 [Erläuterung] Physikalische Größen, abgebildet im Taschenrechner -Format Block I. Ähnlichkeitskenngrößen Block II. Spezifische oder Intensive Strömungsgrößen - Reihe 1: Thermische Zustandsgrößen - Reihe 2: Strömungsgrößen - Reihe 3: Kalorische Zustandsgrößen Block I Block II Block III Block III. Erhaltungsgleichungen - Reihe 1: Masse - (Reihe 2: Moment) - Reihe 3: Energie Umrahmungsfarbe Reihe 1 Reihe 2 Reihe 3 Grün: falls eine intensive Größen beibehalten wird, oder eine extensive Größe skaliert wird. Grün gestrichelt: falls sich eine dimensionelle (d.h. ungefähre oder nährungsweise) Ähnlichkeit ergibt Rot: falls die Ähnlichkeit nicht eingehalten werden kann (Verzerrung in Form von Über- oder Unterskalierung). Sr Ma Re p U cp ρ a γ T h 0 ṁ Ḣ 0 μ V
7 DLR.de Folie 7 [Erläuterung] Effekte infolge der geometrischen Skalierung A.Abbildung Fan kalt unskaliert auf Fan kalt skaliert ~1:15 Intensive Größen werden beibehalten, extensive Größen skaliert. B. Abbildung Kern heiß unskaliert auf Kern kalt skaliert ~1:15 <Diese Strömungsgrößen sind auf dem Taschenrechner abgebildet> Effekte 1. BASELINE (heiße Kernströmung): Intensive Größen werden beibehalten, extensive Größen skaliert. 2. ÄHNLICHER TOTALENTHALPIESTROM: Der kalte Kernstrom bewirkt eine Überskalierung des Kernmassenstroms ṁ und eine Unterskalierung der spezifischen Totalenthalpie h 0. Trotzdem wird die Energiegröße, der Totalenthalpiestrom Ḣ 0 dimensionell ähnlich skaliert. Dies liegt im besonderen an den ähnlichen Volumenströmen. 3. ÄHNLICHER MASSENSTROM: Der kalte Kernstrom skaliert die Dichte zu hoch. Wird die Querschnittsfläche am Austritt der Kerndüse unterhalb deren Ähnlichkeit zum Original skaliert, so können Massenströme, Impulsverhältnisse, das Nebenstromverhältnis, etc. ähnlich skaliert werden.
8 DLR.de Folie 8 2 STRÖMUNGSBEREICH DÜSENNACHLAUF / KLAPPE
9 DLR.de Folie 9 Bewertungskriterien für die Vergleichbarkeit sind isb. ähnliche lokale Strömungsmerkmale: Abbildung: Strömungsmerkmale horizontal Grundströmung Fan Kern Äußere Scherschicht Innere Scherschicht 1. Potentialkern der Fanströmung: max. Geschwindigkeit, Wirbelstärke 2. Strahlbreite, Ausbreitung der Scherschicht: Geschwindigkeit, Wirbelstärke 3. Bestimmung der Strömungsregion: Wirbelstärke, Turbulente Kinetische Energie Abbildung: Strömungsmerkmale vertikal INITIALE AUSMISCHUNG 3. Potentialkern des Fans ÜBERGANGSREGION Größere turbulente Wirbelstrukturen bilden sich aus VOLL AUSGEBILDETE STRÖMUNG Selbstähnlichkeit, Ausmischung vollst. turbulent Potentialkern der Kernströmung Bildrechte: Bräunling
10 DLR.de Folie 10 Der CFD-Nachweis wurde für die tatsächliche Düsenausrichtung im Windkanal durchgeführt. Triebwerksmodell, Skalierung ~1:15, ohne Pylon, ohne Hochauftriebssystem, Modell zur Grundströmung (U = 60 m/s) gedreht
11 DLR.de Folie 11 ZUR BEURTEILUNG DER STRAHLBREITE (1) GESCHWINDIGKEIT
12 DLR.de Folie 12 N9 BASELINE heißdurchströmte Kerndüse, 4.2 kg/s Strahlbreite* Kern Strahlbreite* Fan * Das Bewertungskriterium entspricht nicht strikt einem physikalischen üblichen Standard (Bsp Potentialkern bei Einhalten von 99% der Maximalgeschwindigkeit), sondern ist an den optischen Übergängen des Farbspektrums (rosa rot bzw. rot gelb) orientiert.
13 DLR.de Folie 13 X8 Ähnliche Totalstromenthalpie, kalt 4.6 kg/s Strahlbreite Kern sehr gut approximiert Max. Geschwindigkeit fällt leicht Strahlbreite Fan sehr gut approximiert
14 DLR.de Folie 14 B5 Ähnliche Massenströme, kalt 4.2 kg/s Strahlbreite Kern fällt deutlich geringer aus (spez. Totalenthalpie ) Strahlbreite Fan etwas geringere Breite gut approximiert
15 DLR.de Folie 15 ZUR BEURTEILUNG DER SCHERSCHICHTEN UND STRÖMUNGSPOTENTIALKERNE (2) WIRBELSTÄRKE
16 DLR.de Folie 16 N9 BASELINE heißdurchströmte Kerndüse, 4.2 kg/s gelb ~ rotationsfreie Strömung Äußere Scherschicht Potentialkern Fan etwa bei L/D = 1.9 Innere Scherschicht
17 DLR.de Folie 17 X8 Ähnliche Totalstromenthalpie, kalt 4.6 kg/s Messungen mit ähnliche skalierten Totalstromenthalpien könnten den Einfluss der Kernströmung überschätzen: Die Strahlbreite steigt infolge des überskalierten Kernmassenstroms ṁ K bzw. des dadurch verringerten Nebenstromverhältnisses µ. Äußere Scherschicht sehr gut approximiert Potentialkern Fan L/D ~ 1.6; Abnahme wegen breiterer ISS Innere Scherschicht Scherschichtbreite breiter ṁ K Ausmischungslänge geringer: h 0
18 DLR.de Folie 18 B5 Ähnliche Massenströme, kalt 4.2 kg/s Messungen mit ähnlich skalierten Massenströmen könnten den Einfluss der Kernströmung unterschätzen: Die Ausmischungslänge der inneren Scherschicht sinkt infolge der geringen Totalstromenthalpie der Kernströmung. Äußere Scherschicht sehr gut approximiert Potentialkern Fan L/D ~ 2.4, Zunahme wegen geringer ISS Innere Scherschicht Scherschichtbreite sehr gut approximiert Ausmischungslänge gering: h 0
19 DLR.de Folie 19 ZUR BEURTEILUNG DER VOLLAUSGEBILDETEN STRÖMUNG (3) TURBULENTE KINETISCHE ENERGIE
20 DLR.de Folie 20 N9 BASELINE heißdurchströmte Kerndüse, 4.2 kg/s Äußere Scherschicht Innere Scherschicht Turbulente Strukturen sind im Vergleich zur äußeren Scherschicht gering ausgebreitet
21 DLR.de Folie 21 X8 Ähnliche Totalstromenthalpie, kalt 4.6 kg/s
22 DLR.de Folie 22 B5 Ähnliche Massenströme, kalt 4.2 kg/s
23 DLR.de Folie 23 3 AUSWERTUNG
24 DLR.de Folie 24 Beide Auslegungsoptionen approximieren die Strömungsgrößen im Bereich der Landeklappe ausreichend. BASELINE TOTALENTH.STROM MASSENSTROM Geometrie Charakteristische Strömungsmerkmale Fanstrahlkern, Geschwindigkeit Strahlbreite, Äußere Scherschicht Strömungsregionen, T.K.E. Messungen mit ähnlichen Totalenthalpieströmen könnten den Einfluss der Kernströmung überschätzen, Messungen mit ähnlichem Massenstrom dagegen unterschätzen. VIELEN DANK!
25 DLR.de Folie 25 AUSBLICK: Möglichkeiten der Abbildung bei Benutzung eines Zweistoffgemisches als Kernströmung BASELINE Helium x~30% Helium x~65% A Kerngeometrie richtig skaliert A Kerngeometrie angepasst A Kerngeometrie richtig skaliert K spez/intensiv Erhaltg K spez/intensiv Erhaltg K spez/intensiv Erhaltg Sr p ρ T ṁ μ Sr p ρ T ṁ μ Sr p ρ T ṁ μ Ma U a Ma U a Ma U a Re cp γ h 0 Ḣ 0 V Re cp γ h 0 Ḣ 0 V Re cp γ h 0 Ḣ 0 V
26 DLR.de Folie 26 LITERATUR BRÄUNLING, Willy J. G.: Flugzeugtriebwerke: Grundlagen, Aero- Thermodynamik, ideale und reale Kreisprozesse, Thermische Turbomaschinen, Komponenten, Emissionen und Systeme. In: Flugzeugtriebwerke (2009)
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