Drag reduction of a bluff body model in water and air
Schmidt, Hanns-Joachim
The presented work describes and discusses the results of wind tunnel and towing tank experiments carried out on a rectangular bluff body model equipped with base flaps as passive and fluidic oscillators as active means for drag reduction. The geometry of the model is based on the Generic European Transport System (GETS) which is similar to a 10 % scaled truck trailer combination without any geometric details. Force and pressure measurements complemented by Particle Image Velocimetry (PIV) measurements in the near wake are performed in order to assess the flow field dynamics.
The work consists of three major investigations. First, the effect of several parameters such as flap length, flap angle, momentum coefficient, and oscillator spacing is examined, followed by a conservative evaluation of efficiency. The feasibility of the examined separation control is demonstrated. The assessment of the flow control parameters implies that the ratio between jet and freestream velocity is the governing parameter for the separation control.
The second investigation addresses the applicability of the separation control experiments in a water towing tank. Bench tests are conducted to determine the oscillator properties. The oscillation frequency scales with the jet velocity for water and air. Therefore, the velocity and frequency ratio can be transferred between the working fluids. The presence of cavitation is visually detected solely outside the oscillators. The frequency and therefore the effectiveness of the actuation is unaffected by cavitation. The thrust exerted by fluidic oscillators is determined to be larger than the theoretical value. The feasibility of towing tank experiments for separation control is demonstrated. The drag and pressure measurements as well as the underwater stereo PIV measurements performed in the towing tank compare well to the wind tunnel results.
The third study focuses on the flow dynamics in the wake of the baseline configuration and selected flow control configurations. High-speed stereoscopic PIV and time-resolved pressure measurements are acquired to employ conditional averaging, spectral analysis, and Spectral Proper Orthogonal Decomposition (SPOD) methods. The baseline flow field is dominated by a vertically oriented, bistable wake shift which is governed by the model's aspect ratio. High-frequency wake modes documented in the appropriate literature are confirmed. A coupling between these modes and the bi-stability is observed. Significant changes in the wake dynamics are obtained when flow control is employed. The baseline modes are partly attenuated or completely inhibited, especially for active flow control configurations. It is demonstrated that the aerodynamic drag is directly linked to the coherent wake dynamics and their energetic content.
Die vorliegende Arbeit beschreibt und diskutiert die Ergebnisse der Wind- und Schleppkanalversuche mit einem quaderförmigen, stumpfen Versuchskörper. Das Heck des Modells ist mit sogenannten Basisklappen als passive und fluidischen Oszillatoren als aktive Strömungskontrolle zur Reduktion des aerodynamischen Widerstandes ausgestattet. Die Geometrie des Modells basiert auf dem Generic European Transport System (GETS), welches einem 1:10 Modell eines Lastkraftzugs ohne geometrische Details entspricht. Um die Dynamiken des Strömungsfeldes im Nachlauf des Modells beurteilen zu können, sind Kraft- und Druckmessungen, sowie ergänzende Particle Image Velocimetry (PIV) Messungen durchgeführt worden.
Die vorliegende Arbeit umfasst drei Hauptuntersuchungen. Die erste Studie befasst sich mit der Effektivität der verschiedenen Strömungskontrollparameter, Klappenlänge, Klappenwinkel, Impulsbeiwert und Oszillatorabstand, sowie einer konservativen Effizienzbetrachtung der Strömungskontrolle. Die Wirksamkeit der untersuchten Ablösekontrolle ist dabei nachgewiesen worden. Die abschließende Beurteilung der Strömungsparameter verdeutlicht, dass das Verhältnis zwischen Strahl- und Anströmgeschwindigkeit der entscheidende Parameter zur Charakterisierung der Ablösekontrolle ist.
Die zweite Untersuchung beschäftigt sich mit der experimentellen Anwendbarkeit der Ablösekontrolle in einem Schleppkanal. Dazu werden zunächst die Oszillatoreigenschaften in separaten Versuchen ermittelt. Es zeigt sich, dass die Oszillationsfrequenz mit der Strahlgeschwindigkeit skaliert, sowohl in Wasser als auch in Luft. Dadurch können die Geschwindigkeiten und Frequenzen zwischen den unterschiedlichen Medien übertragen werden. Die visuelle Analyse der Oszillatordurchströmung zeigt lediglich lokale Kavitationseffekte außerhalb der Oszillatoren. Die Oszillationsbewegung des Strahls ist unbeeinflusst von diesen Kavitationseffekten, sodass die Effektivität der Strömungskontrolle nicht beeinflusst ist. Der Schub der fluidischen Oszillatoren ist größer als der theoretische angenommene Wert. Die Machbarkeit von Schleppkanalversuchen zur Strömungskontrolle an stumpfen Körpern ist durch Widerstands- und Druckmessungen sowie anhand von Unterwasser-PIV-Messungen gezeigt worden. Die Ergebnisse aus der Schlepprinne sind vergleichbar mit den Windkanalresultaten.
Die dritte Studie konzentriert sich auf die Strömungsdynamiken im Nachlauf des Versuchsmodells ohne Strömungskontrolle sowie für ausgewählten Strömungskontrollkonfigurationen. Verschiedene Auswertemethoden, z.B. die Berechnung konditionierter Mittelwerte, Spektralanalysen und die SPOD (Spectral Proper Orthogonal Decomposition), werden auf die zeitaufgelösten PIV- und Druckdaten angewandt. Der unbeeinflusste Nachlauf zeichnet sich durch einen vertikal orientierten, bistabilen Zustand aus, welcher durch das Seitenverhältnis der Stirnfläche bestimmt ist. Höherfrequente Effekte, welche in der gängigen Literatur schon beschrieben wurden, werden validiert. Eine Kopplung zwischen diesen Frequenzen und der Bistabilität ist beobachtet worden. Die Anwendung der Strömungskontrolle verursacht signifikante Änderungen in den Nachlaufdynamiken. Eine Abschwächung oder die vollständige Unterdrückung der typischen Nachlaufeffekte ist zu erkennen. Der direkte Zusammenhang zwischen aerodynamischen Widerstand und den kohärenten Nachlaufeffekten und deren Energiegehalt ist gezeigt worden.
