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Numerical analysis of active drag reduction for turbulent airfoil flow = Numerische Untersuchung aktiver Widerstandsreduktion für turbulente Tragflügelströmungen
2021
Dissertation, RWTH Aachen University, 2021
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-05-21
Einrichtungen
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Turbulente Strömungsgrenzschichten über schlanken Körpern erzeugen eine erhebliche Widerstandskraft, welche einen großen Anteil des Gesamtwiderstands von großen Flugzeugen im Reiseflug oder Hochgeschwindigkeitszügen ausmachen kann. Aktive Widerstandsreduktionsansätze, bei denen externe Energie in das System eingebracht wird, sind in der Lage, die Reibungskräfte, die auf turbulente wandgebundene Strömungen zurückzuführen sind, erheblich zu reduzieren. Unter den zahlreichen aktiven Techniken sind spannweitig wandernde transversale Oberflächenwellen ein erfolgreicher Ansatz für kanonische Strömungen, z.B. turbulente Kanalströmungen. Einige wichtige Fragen sind jedoch noch nicht ausreichend behandelt worden. Aufgrund eines großen Parameterraums der Aktuierungsparameter wurde deren Einfluss auf die Widerstandsreduzierung noch nicht umfassend untersucht. Außerdem wurde die Technik noch nicht in komplexeren Strömungen angewandt, wie z.B. in der turbulenten Umströmung eines Tragflügels. Daher werden hochaufgelöste Grobstruktursimulationen zur Untersuchung der Widerstandsreduzierung mittels wandernder transversaler Oberflächenwellen in turbulenten Plattengrenzschichten und Tragflügelströmungen durchgeführt. Turbulente Grenzschichtströmungen ohne Druckgradient bilden die Grundlage einer Parameterstudie über spannweitig wandernde transversale Oberflächenwellen, welche zuerst vorgestellt wird. Die Ergebnisse zeigen eine maximale Widerstandsreduzierung von -31% und eine Nettoleistungseinsparung von bis zu -10%. Es wird gezeigt, dass eine Stokes-Grenzschichtartige Skalierung besonders für große Wellenlängen gut mit der Reduktion der Wandschubspannung korreliert. Das Versagen der Skalierung über ein wellenlängenabhängiges Maximum hinaus ist mit der verstärkten spannweitigen Strömung verbunden, welche zu Ablösungseffekten und erhöhter turbulenter Durchmischung führt. Eine optimale Aktuierungsperiode in inneren Einheiten wird bestimmt und es wird herausgefunden, dass die oszillierende spannweitige Scherung, welche durch das sekundäre Strömungsfeld hervorgerufen wird, mit dem widerstandsreduzierten Zustand verbunden ist. Ähnliche Mechanismen lassen sich für spannweitige Wandoszillationen beobachten. Die Untersuchung wird dann auf die Strömung über gepfeilte Oberflächen ausgedehnt, indem transversale Oberflächenwellen, die sich teilweise mit oder gegen das mittlere Strömungsfeld ausbreiten, berücksichtigt werden. Bei kleineren Pfeilungswinkeln wird für teilweise stromabwärts wandernde Wellen nur eine geringe Abnahme der Widerstandsreduktion festgestellt. Darüber hinaus bleibt die widerstandsreduzierte wandnahe Strömung auch bei größeren Pfeilungswinkeln erhalten. Bei teilweise stromaufwärts wandernden Wellen wird ein komplexeres Strömungsfeld beobachtet, in dem eine widerstandsreduzierte wandnahe Strömung mit einer verstärkten Turbulenz in der äußeren Grenzschicht koexistiert. Schließlich werden spannweitig wandernde transversale Oberflächenwellen in einer turbulenten Umströmung eines Tragflächenabschnitts appliziert. Die Aktuierung großer Teile der oberen und unteren Oberfläche führt zu einer deutlichen Verringerung des Reibungs- und Gesamtwiderstands sowie einer mäßigen Erhöhung des Auftriebs. Starke lokale Reduzierungen der Wandschubspannung werden auch für die Teile der Strömung erreicht, die einen starken negativen Druckgradienten erfahren. Die verringerte Grenzschichtdicke und gedämpfte Turbulenz bleiben weit über den aktuierten Bereich hinaus bestehen, was zu einem Effekt der Aktuierung auch im Flügelnachlauf führt.Turbulent boundary layers over slender bodies generate a substantial drag force, which can make up a large share of the overall drag of large aircraft in cruise flight or high speed trains. Active drag reduction approaches, which introduce external energy into the system, are capable of considerably reducing the friction forces attributed to turbulent wall-bounded flows. Among the numerous active techniques, spanwise traveling transversal surface waves is a successful approach for canonical flows, e.g., turbulent channel flow. However, several important questions have not been addressed adequately, yet. Due to a large parameter space of the actuation parameters, their impact on drag reduction was not studied extensively, yet. Furthermore, the technique has not been applied to more complex flows like the turbulent flow around an airfoil. Therefore, high-resolution large-eddy simulations are conducted to study active drag reduction of turbulent flat plate boundary layer as well as an airfoil flow, where drag reduction via traveling transversal surface waves is applied. Zero-pressure gradient turbulent boundary layer flow is the basis for a large parametric study of spanwise traveling transversal surface waves, which is presented first. The results show a maximum drag reduction of −31 % and net power saving of up to −10 %. Especially for large wavelengths, a Stokes-layer-type scaling is found to correlate well with the reduction of the wall-shear stress. The breakdown of the scaling beyond a wavelength-dependent maximum is connected to an enhanced spanwise flow, which leads to separation effects and increased turbulent mixing. An optimum actuation period in inner units is determined and the oscillating spanwise shear is identified, which is caused by the secondary flow field and connected to the drag reduced state. Similar mechanisms can be observed for spanwise wall oscillations. The investigation is then extended to swept flow, such that transversal surface waves traveling partially with or against the mean flow are considered. For small sweep angles only a minor decrease of the drag reduction is found for partially downstream traveling waves. Furthermore, the drag-reduced near-wall flow persists even for larger sweep angles. For partially upstream traveling waves, a more diverse flow is observed where a drag-reduced near-wall flow coexists with amplified turbulence in the outer boundary layer. Finally, spanwise traveling transversal surface waves are applied to the turbulent flow around an airfoil wing section. The actuation of large parts of the upper and lower surface leads to a significantly reduced friction and total drag and a moderately increased lift. Strong local reductions of the wall-shear stress are also obtained for parts of the flow which experience a strong adverse pressure gradient. The decreased boundary layer height and damped turbulence persist well beyond the actuated region, which leads to an actuation effect in the wake region.
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book
Format
print
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT020970391
Interne Identnummern
RWTH-2021-05816
Datensatz-ID: 820772
Beteiligte Länder
Germany
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