Druckwellendämpfung an einem Tragflügelprofil mittels Hinterkantenbürsten im Transschall

Hammer, Ulf Bastian Helmut; Heufer, Karl Alexander; Olivier, Herbert

doi:HT021471767

Druckwellendämpfung an einem Tragflügelprofil mittels Hinterkantenbürsten im Transschall = Pressure wave damping on an airfoil with trailing edge brushes in transonic flow

Hammer, Ulf Bastian Helmut^RWTH*

2021 & 2022

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Ulf Bastian Helmut Hammer

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2022

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Olivier, Herbert (Thesis advisor)^RWTH* ; Heufer, Karl Alexander (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-11-26

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-07560
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/850545/files/850545.pdf

Einrichtungen

Lehr- und Forschungsgebiet und Abteilung Hochtemperatur-Gasdynamik (415520)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Druckwellen (frei) ; Flügelprofil (frei) ; Hinterkantenbürsten (frei) ; airfoil (frei) ; pressure wave (frei) ; trailing edge brushes (frei) ; transonic flow (frei) ; transsonische Profilumströmung (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
In der transsonischen Profilumströmung entstehen im Bereich der Hinterkante instationäre stromauf laufende Druckwellen, welche zu relativ starken Druckfluktuationen entlang des Profils führen. Der Einfluss der Druckwellen ist insbesondere auf der Profiloberseite als eine teils periodische Druckschwingung festzustellen. Sowohl aus aeroakustischer als auch aus aerodynamischer Sicht stellen die Druckwellen daher eine relativ starke Störung dar. Eine Dämpfung der Druckwellenamplituden ist daher von besonderem wissenschaftlichen und praktischen Interesse. Zur Bestimmung des Einflusses von Hinterkantenbürsten auf die Profilumströmung eines superkritischen Tragflügelprofils (BAC 3-11) fanden weitreichende experimentelle Untersuchungen im Transschall statt. Für die Untersuchungen wurde ein vorhandenes Transschall - Stoßrohr, bei dem es im Fall von Profiluntersuchungen zu störenden Stoß - Wechselwirkungen mit dem Profilmodell kommt, zu einem Ludwiegrohr modifiziert. Die Ziele dieser Modifizierung sind die Verbesserung der Strömungs- und Messqualität sowie die Verlängerung der Messdauer. Zur Beeinflussung der Druckwellenentstehung sowie der Druckwellenausbreitung wurde das Profilmodell mit Hinterkantenbürsten ausgestattet. Die Hinterkantenbürsten bestehen aus einzelnen, nebeneinander platzierten Borstenfasern und sind auf der Profilunterseite verklebt. Im Rahmen einer Parameterstudie fand eine Variation der Bürstenlänge und der Borstendurchmesser statt. Das Bürstenmaterial wurde konstant beibehalten. Die Untersuchungen erfolgten im Transschall für Machzahlen zwischen 0,7 und 0,74 unter einem Anstellwinkel von 0° und einer auf die Profiltiefe c (c = 80 mm) bezogenen Reynoldszahl von 1 Mio. Das Strömungsverhalten entlang der Profiloberseite ist aufgrund des Einflusses der stromauf laufenden Druckwellen von besonderem Interesse. Für Druckmessungen ist das Profilmodell entlang der Ober- und Unterseite mit Druckmessstellen ausgestattet. Die Bestimmung der auftretenden Druckamplituden für den Referenzfall („clean airfoil“) erfolgte auf der Profiloberseite mit Hilfe von Fourier - Analysen. Zur Feststellung der maximalen Druckamplituden wurde unter anderem ein Verfahren entwickelt, dass das Messzeitfenster dynamisch so anpasst, bis mittels einer Fourier - Analyse die maximale Druckamplitude ermittelt ist. Für die Resultate der untersuchten Bürstenkonfiguration wurden ebenfalls die Druckamplituden sowie weitere Vergleichsgrößen (Standardabweichung und Signalenergie) bestimmt und in Relation zu den Referenzgrößen gesetzt. Eine Visualisierung der Profilumströmung mittels Schlierenaufnahmen dient ebenfalls als Vergleichskriterium zwischen den Messungen mit Bürsten und den Referenzmessungen.Der Einfluss der Bürsten wurde anhand eines bestimmten Dämpfungsfaktors quantitativ erfasst und dargestellt. Der Dämpfungsfaktor wurde für die maximal auftretenden Druckamplituden sowie für die Signalenergien bestimmt und beschreibt somit den Grad der Dämpfung dieser Größen hinsichtlich der Größen im Referenzfall („clean airfoil“). Zur Bestimmung der effizientesten Bürste dient darüber hinaus eine Korrelation zwischen den Dämpfungsfaktoren und den Biegeeigenfrequenzen der untersuchten Bürsten. Diese Korrelation soll dazu dienen, die Bürstenparameter zukünftiger Konfigurationen anhand der Biegeeigenfrequenz auszulegen.

In transonic flow around a supercritical airfoil, unsteady upstream moving pressure waves occur close to the trailing edge. These pressure waves lead to relatively strong pressure fluctuations along the airfoil. The influence of the pressure waves can be observed in particular on the suction side of the airfoil as a partly periodic pressure oscillation. From both aeroacoustic and aerodynamic point of view, the pressure waves represent a comparatively strong disturbance. A damping of the pressure wave amplitudes is therefore of particular scientific and practical interest.In order to determine the influence of the brushes on the flow around a supercritical airfoil (BAC 3-11), comprehensive experimental investigations in transonic flow are conducted. For these investigations, an existing transonic shock tube, which causes disturbing shock/model interactions with the wind tunnel model, is modified to a Ludwieg tube. The aim of this modification is to improve the flow and measurement quality as well as to extend the measurement time. The wind tunnel model is equipped with trailing edge brushes in order to influence the pressure wave generation as well as the wave propagation. The brushes are made of individual bristle fibres and are glued side by side on the lower surface (pressure side) of the airfoil. As part of a parameter study, different brush lengths and bristle diameters are investigated. The brush material is maintained constantly. The experiments are conducted in the transonic flow regime with Mach numbers between 0.7 and 0.74 under an angle of attack of 0° and a Reynolds number of 1 million based on the airfoil depth c (c = 80 mm). The flow behaviour along the suction side is of particular interest. For pressure measurements, the wind tunnel model is equipped with pressure sensors along the suction and pressure side. The determination of the pressure amplitudes for the reference case ("clean airfoil") is carried out with the help of Fourier analyses. In order to determine the maximum pressure amplitude, a method is developed that dynamically adapts the measurement window until the Fourier analysis has found a maximum pressure amplitude (DMDS method). For the study of the considered brush configurations, the pressure amplitudes as well as other comparative variables (standard deviation and signal energy) are also determined and set in relation to the reference values. High speed Schlieren technique is used to visualize the flow field around the airfoil. These images are also used for comparison between the measurements with brushes and the reference measurements.The influence of the brushes is quantitatively presented by a specific damping factor. The damping factor is determined for the maximum pressure amplitudes and for the signal energies and thus describes the degree of damping of these variables in relation to the reference values ("clean airfoil"). A correlation between the damping factors of the brushes and the brush eigenfrequency is established in order to obtain the most efficient brush. This correlation should be used to design the brush parameters on the basis of the brush eigenfrequency.

OpenAccess:
PDF
(zusätzliche Dateien)