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; Olivier, Herbert (Thesis advisor); Heufer, Karl Alexander (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021, 2022)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

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.

Einrichtungen

• Lehr- und Forschungsgebiet und Abteilung Hochtemperatur-Gasdynamik [415520]