EINLEITUNG · EINLEITUNG l l 2 ik 2 dc dc1 d d1 M 2 1 M ∞ = α α− π = − dc l dα...
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EINLEITUNG
l l
2ik
2
dc dc1d d1 M
2
1 M
∞
=α α−
π=
−
ldc
dα
Prandtl-Glauert-Regel
AerodynamischesLaboratorium Transsonische Strömung 1
21 M∞−
M∞,krit
M∞ →
○ Im Bereich M∞→ 1 verlieren die Ähnlichkeitsregeln ihre Anwendbarkeit
○ Strömungscharakter wird nichtlinear im Bereich 0.8 ≤ M∞ ≤ 1.2
KRITISCHE MACHZAHL
MA = 0.772
MA = 1
M∞ = 0.5 < M∞,krit
○ Bei Anströmung mit M∞,krit wird auf dem Profil gerade M = 1 erreicht
○ ab M∞ = M∞,krit
transsonische Strömung
○ transsonische Strömung gekennzeichnet durch
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MA > 1
M∞ = 0.65 > M∞,krit
M∞ = 0.61 = M∞,krit
M = 1
gekennzeichnet durch das gleichzeitige Auftreten von Unter- und Überschallgebieten in der Umströmung
-20
-16
-12
kritp,c
KRITISCHE MACHZAHL
Kritischer Druckbeiwert( )( )
( )( )
−
−+
−+=
−∞
∞
12/11
2/112 12
2,
γ
γ
λ
γ
γ
M
Mc kritp
○ Gleichung stellt Beziehung her zwischen M∞ und Druckbeiwert auf der Profiloberfläche bei
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-12
-8
-4
0
0.2 0.4 0.6 0.8 1∞M
der Profiloberfläche bei lokalen M = 1
○ falls cp < cp,krit liegt ein Überschallgebiet vor
○ cp,krit ist allgemeine Beziehung für isentrope Strömungen, geometrieunabhängig
KRITISCHE MACHZAHL
cd
○ extrem steiler Widerstandsanstieg in der Nähe von M = 1, „Schallmauer“
○ Machzahl, bei der der steile Anstieg beginnt, ist Divergenzmachzahl
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M∞
M∞,krit
M∞,div
1Transsonische Widerstandsdivergenz
Divergenzmachzahl
○ Verschieben der kritischen Machzahl Richtung M = 1 durch dünnere Profile, Pfeilung
○ Verschieben der Divergenzmachzahl durch überkritisches Profil
ÜBERKRITISCHE FLÜGELPROFILE
starker Stoß
schwacher Stoß
M > 1 M > 1
M > 1
○ überkritische Profile haben optimierte Geometrie für einen transsonischen Strömungsfall
○ bei geeigneten Parametern α und M∞
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-cp-cp
cp,krit
cp,krit
Parametern α und M∞
stoßfreies Strömungsfeld
○ Überschallgebiet weniger stark ausgeprägt durch flache Oberseite
ÜBERKRITISCHE FLÜGELPROFILE
cd
konventionelles Profil
überkritisches Profil
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M∞
STOß-GRENZSCHICHT-
WECHSELWIRKUNGEN
○ starker Druckgradientdp / dx > 0 im Stoßbereich
○ Aufdicken der Grenzschicht
○ möglicherweise Ablösung der
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Ablösung der Grenzschicht
STOß-GRENZSCHICHT-
WECHSELWIRKUNGEN
○ bei schwacher Interaktion zwischen Stoß und Grenzschicht nur lokale Grenzschicht-ablösung, oft bei laminarer Stoß-Grenzschicht-Wechselwirkung
○ falls Stoßwelle sehr stark, kann sich die Ablösung bis zur Hinterkante
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die Ablösung bis zur Hinterkante ausbreiten, oft bei turbulenter Ablösung
○ unter bestimmten Bedingungen kann die Interaktion instationär werden und zu Stoßschwingungen führen (Buffet), die einen Grenzzustand für die strukturelle Belastung darstellen
Transsonisches Buffet am DRA2032-Profil
Benedikt Roidl, Axel Hartmann, und Wolfgang Schröder
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Aerodynamisches Institut Aachen
1: Trockenbett 3: Diffusor (A*)
2: Lavaldüse 4: Schnellschlußschieber
2: Messkammer (A=40x40cm²) 5: Vakuumkessel
� tMess ca. 3 sec)
VERSUCHSDURCHFÜHRUNG
Trisonik Windkanal Einstellen der Machzahl:Überschall: A* der Lavaldüse variieren
Unterschall: A* im Diffusor variieren
Bestimmen der aktuellen Machzahl über statische Wanddruckbohrung und p0
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(3)
(1)
(4)
(5)
(6)(2)
Experimenteller Aufbau
Trisonikkanal-Windkanal am AIA
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○ Profil in adaptiver Testsektion ○ Detailansicht des Profils
Transitionsdraht
Aluminiumband
o Profilmodell
• Laminarprofil DRA-2303 überspannt den gesamtenTestbereich
Relative Dicke 14%
Sehnenlänge = c = 200 mm
Experimental Setup
Wing Model
M∞
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Sehnenlänge = c = 200 mm
• Erzwungene Transition bei 5% derSehnenlänge
• Aluminiumband zur Reflektion des Laserlichts
Qualitative Wandschub-spannungsverteilung
M∞ = 0.76
α = 1°
VISUALISIERUNG DES
GRENZSCHICHTZUSTANDSbei natürlicher Transition
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0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
M∞
β
VERSUCHSDURCHFÜHRUNG
Plattenexperiment zur Generierung einer definierten Stoß-Grenzschicht Wechselwirkung
Mach = 2
β = 9°(+- 0.5°@ 60Hz)
einfallender Stoß
Expansionsfächer (vom Keilprofil)
stoßerzeugendes Keilprofil
reflektierter Stoß
Expansionsfächer Messprinzip Pillars
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Pillarkopf
0.8 δ
PillarsPlatte mit Druckbohrungen
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zur Detektion
der Ablöselinie
einfallender Stoß
Ablöseblase
Expansionsfächer Messprinzip Pillars
VERSUCHSDURCHFÜHRUNG
Schlierenoptik zur Visualisierung von Dichtegradienten
Brechungsindex n abhängig von der Dichte ρ entsprechend der Gladstone-Dale-Beziehung
Nachteil der Schlierenoptik: Mittelung über Kanalbreite
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Nachteil der Schlierenoptik: Mittelung über Kanalbreite
(hier ist die Stoßinteraktion mit den Wandgrenzschichten zu sehen)
alternative Bestimmung der Anströmmachzahl über bekannte Stoßkonfiguration M1
σ und β
o Laser
Experimenteller Aufbau
Particle-Image Velocimetry (PIV)
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o Laser
o High-Speed Laser Nd:YLF laser (527 mm), Wiederholrate von 1.5 kHz
o Bildaufnahme
• 2 Photron Fastcams SA3 at 3 kHz
• Messebene 94mm x 40mm,1vektor/1.5mm
o Synchronizierung
• TR-PIV und instationäre Druckmessungen mitmaximaler Abweichung von 25 µs
BEISPIEL
ÜBERKRITISCHES PROFIL DRA-2303
erzwungener laminar-turbulenter Umschlag
M∞=0,76
α=1°
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Kombination von Schlierenoptik, PIV, und instationären Druckmessungen zur Erfassung des Strömungsfeldes
Stoßinduzierte Ablösung der Grenzschicht erkennbar
Serie von High-Speed PIV Bildern (1500Hz)
Stoßschwingung erkennbar
Druckmessung und Strömungsvisualisierung
○ Buffet sichtbar druch Druckbeiwertverteilung und Schlierenaufnahmen
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Numerische Untersuchung des DRA-2303 Profils
o RANS-LES-Simulation
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M∞ = 0.72 α= 3°Re∞= 2.63x106, 14x106 Gitterpunkte, DRA2303-profile
Machzahlverteilung und Druckbeiwert
○ Buffet sichtbar
durch Druckbeiwert-verteilung
und Machzahl-konturplots
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Gemitteltes Strömungsfeld
M∞ = 0.72
α = 3°
Re∞= 2.63x106
o Zeitlich gemittelte Druckbeiwertverteilung
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• Leichte Abweichung der Druckverteilung zwischen Experiment und Numerik imBereich der mittleren Stoßposition
• Gute Übereinstimmung vor- und hinter des Stoßes
oZeitliche Sequenzdes Strömungsfeldsund derDruckverteilung
• M∞ = 0.72
α= 3°
Zeitaufgenaue Strömungsanalyse
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α= 3°
Re∞= 2.63x106
∆t = 1.33 ms
• Amplitude beträgt 4 % der Sehnenlänge
Zeitgenaue Strömungsanalyse
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• <u’v’> Konturen der Simulation (links) und des Experiments (rechts) deuten auf eine gleiche Scherschichtentwicklung an der min. (a) und max. (b) Stoßposition hin