Control of shock-induced flow separation with Air-Jet vortex generators

Ramaswamy, Deepak Prem; Schreyer, Anne-Marie; Sandham, Neil; Schröder, Wolfgang

doi:42942

Control of shock-induced flow separation with Air-Jet vortex generators = Beeinflussung stoßinduzierter Strömungsablösung mit Luftstrahl-Wirbelgeneratoren

Ramaswamy, Deepak Prem^RWTH*

2023 & 2024

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Deepak Prem Ramaswamy

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2024

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Schreyer, Anne-Marie (Thesis advisor)^RWTH* ; Schröder, Wolfgang (Thesis advisor)^RWTH* ; Sandham, Neil (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-12-06

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-01189
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/978281/files/978281.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Strömungslehre und Aerodynamisches Institut (415110)

Projekte

DFG project 326485414 - Ablösebeeinflussung mit Luftstrahl-Wirbelgeneratoren-Arrays in transsonischen und supersonischen Strömungen (326485414) (326485414)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Stoß-Grenzschicht-Interaktionen (SWBLIs) sind komplexe Strömungsfelder, die in vielen Hochgeschwindigkeitsanwendungen in der Luft- und Raumfahrt auftreten. Der durch die Stoßwelle erzeugte positive Druckgradient kann zu einer großflächigen Strömungsablösung führen. Die damit einhergehende Instationarität des Stoßes und der abgelösten Strömung kann u.a. schwankende Druck- und Wärmelasten an der Oberfläche, Instabilitäten am Einlass etc. verursachen; da diese im Allgemeinen den sicheren und zuverlässigen Betrieb des Vehikels beeinträchtigen, ist eine zuverlässige Kontrolle der Strömung unerlässlich. In dieser Arbeit wird die Ablösekontrolle mit Luftstrahl-Wirbelgeneratoren (AJVGs) experimentell untersucht. Verschiedene Konfigurationen von 45° in Spannweitenrichtung geneigten AJVGs werden zur Kontrolle einer vollständig abgelösten 24°-Kompressionsrampen-Interaktion untersucht. Die Ergebnisse weisen deutlich auf stromabwärts gerichtete Wirbel hin, die durch die Strahleinblasung induziert werden, wodurch sich im Referenzfall eine gewellte Ablöselinie ergibt. Effektiv konfigurierte AJVGs können die Ablöselänge um fast 25% und das Rezirkulationsgebiet um bis zu ~ 57% reduzieren sowie die Turbulenzverstärkung durch die SWBLI abschwächen. Die Effizienz wird dabei stark durch diverse AJVG-Auslegungsparameter beeinflusst. Untersuchungen des Strahlabstands zeigen, dass die durch den Strahl induzierten Längswirbel je nach Grad der Interaktion zwischen benachbarten Wirbeln unterschiedliche Kontrolleffekte hervorrufen; AJVGs mit mittlerem Abstand zeigen die wirksamste Ablösekontrolle aufgrund der Bildung stabiler, interagierender, in Strömungsrichtung verlängerter kohärenter Wirbelstrukturen stromab der Strahlanordnung. Ähnliche Effekte werden mit der Variation des Einspritzdrucks assoziiert, wobei mittlere Einspritzdrücke die beste Kontrollwirkung zeigen, während sowohl sehr große als auch sehr kleine Einspritzdrücke unwirksam sind. Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse eine starke Wechselwirkung zwischen Düsenabstand und Einspritzdruck hinsichtlich der Wirksamkeit der Strömungskontrolle durch AJVGs. Eine verbesserte Kontrollwirkung kann auch unter Verwendung nicht kreisförmiger AJVGs, insbesondere elliptischer AJVGs erzielt werden. Messungen an AJVGs mit elliptischem Querschnitt zeigen im Vergleich zu kreisförmigen AJVGs eine bessere Wirksamkeit, da diese einen erhöhten Impulseintrag hervorrufen und die turbulente Durchmischung erhöhen. Dies wird auf stärkere Längswirbel zurückgeführt, die im Durchschnitt 25% tiefer in die Grenzschicht eindringen. In allen AJVG-gesteuerten Fällen weisen Ablöseblase und Stoß die für den Basisfall beobachtete charakteristische niederfrequente Unstetigkeit auf. Die Dynamik der Unstetigkeit bleibt jedoch durch die AJVGs weitgehend unverändert. Die Konditionelle Analyse der PIV-Ergebnisse zeigt, dass die Dynamik der abgelösten Scherschicht und die Bewegung der Ablöseblase dominieren, trotz der induzierten kohärenten Strukturen und der modifizierten ankommenden Grenzschicht durch die Strahleinblasung.

Shock-wave/boundary-layer interactions (SWBLIs) are complex flowfields commonly encountered in many high-speed aerospace applications. A strong shock wave imposes a large adverse pressure gradient and can lead to large-scale flow separation. The separated flow and the separation-inducing shock are highly unsteady, causing fluctuating pressure and thermal loads on the surface, inlet instabilities, et cetera; they are generally detrimental to the safe and reliable operation of the vehicle. Hence proper control of the flow is essential. In this thesis, separation control with air-jet vortex generators (AJVGs) is experimentally investigated. Various configurations of a single row of spanwise-inclined AJVGs at 45° are used to control a fully-separated 24° compression-ramp interaction. The results show clear evidence of streamwise vortices induced by the injected jets. Consequently, the 2D separation line of the baseline case is now corrugated. Effectively configured AJVGs can reduce separation length by nearly 25%, the recirculation region area by as much as ~ 57%, and alleviate turbulence amplification across the SWBLI. However, these effects strongly depend on various AJVG control parameters, amongst them are jet-to-jet spacing, injection pressure, orifice shape, etc. Investigations of jet/jet spacing show that the jet-induced streamwise vortices incite different control effects based on the degree of interaction between adjacent vortices; AJVGs with intermediate spacing display the most favourable control effects due to the formation of stable, interacting and streamwise-elongated coherent vortical structures downstream of the jet array. A similar mechanism occurs when varying the air-jet injection pressure, where intermediate injection pressures show the best control effectiveness, while both very large and very small injection pressures are ineffective. Furthermore, the results highlight a strong interplay between jet spacing and injection pressure in defining the flow control effectiveness of AJVGs. A more favourable control effect can also be brought about by using non-circular AJVGs, and in-particular, elliptical AJVGs. Measurements of AJVGs with elliptical orifices reveal their improved control effectiveness due to better flow entrainment and higher turbulent mixing, compared to equivalent circular AJVGs. This is attributed to stronger streamwise vortices that penetrate, on average, 25% farther into the boundary layer. For all AJVG-controlled cases, the separation bubble and shock exhibit the characteristic low-frequency unsteadiness observed for the baseline case. However, the dynamics of unsteadiness remain largely unaltered by AJVGs. Conditional analysis of the PIV results show that the separated shear-layer dynamics and the separation-bubble motion are dominant, despite the introduced coherent structures and the modification of the incoming boundary layer due to jet-array injection.

OpenAccess:
PDF
(additional files)