Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3773
Main Title: Experimentelle Untersuchungen aktiv ausgelenkter Oberflächen zur Reduktion der Wandreibung durch Transitionsverzögerung
Translated Title: Experimental investigations of actively driven surfaces for skin friction reduction by transition delay
Author(s): Pätzold, Andreas
Advisor(s): Nitsche, Wolfgang
Referee(s): Nitsche, Wolfgang
Peltzer, Inken
Rist, Ulrich
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Alle umströmten Körper erfahren Widerstandskräfte. Um die Oberflächenreibung als dominierenden Anteil am Gesamtwiderstand zu minimieren, ist eine ausgedehnte laminare Umströmung erwünscht. Der laminar-turbulente Grenzschichtumschlag kann mit Hilfe aktiver und passiver Maßnahmen verzögert werden. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurde eine Methode zur aktiven Laminarisierung entwickelt und in Windkanalexperimenten untersucht. Die Transition an einem ungepfeilten Tragflügel wird hauptsächlich durch Tollmien-Schlichting (TS-) Wellen verursacht. Eine neuartiges Verfahren zur Dämpfung dieser konvektiven Instabilitäten wurde aufgebaut. Als natürliches Vorbild bei dieser Arbeit dienten die visko-elastischen Hauteigenschaften von Delfinen. Da allerdings kein für Luftströmungen geeignetes Material existiert, wurden diese Hauteigenschaften durch Echtzeit-gesteuerte Aktuatoren nachgebildet. Ausgehend von früheren Experimenten mit räumlich begrenzter Aktuation, wurde eine ausgedehnte "aktive Wand" als Teil der Flügeloberfläche entworfen. Der Aufbau ist in der Lage, mitbewegte Wanderwellen zu erzeugen. Unterschiedliche Anordnungen von Piezo-Membranaktuatoren wurden, in Kombination mit Arrays von hochempfindlichen Oberflächensensoren, eingesetzt. Dabei kam eine modellprädiktive Regelung zur Anwendung. Neben einer spannweitig differenzierten Aktuation wurde auch ein Aufbau mit geneigter Wandauslenkung untersucht. Bei einer Anströmgeschwindigkeit von u = 24,5 m/s konnte die laminar-turbulente Transition um 140 mm oder sieben mittlere TS-Wellenlängen verzögert werden. Zweidimensionale und schräglaufende Grenzschichtinstabilitäten wurden gedämpft. Zusätzlich dokumentiert diese Dissertation die Untersuchung des Strömungsfeldes stromab der Aktuation und eine Wirkungsgradbetrachtung der entwickelten Laminarisierungsmethode.
Any body exposed to a flow, generates drag forces. In order to minimize skin friction as dominating part of this overall drag, an extended laminar boundary layer flow is favorable. Laminar-turbulent boundary layer transition can be delayed by active and passive means. Here, an active laminarization method was developed and investigated in wind tunnel experiments. Transition on unswept two-dimensional wings is mainly caused by Tollmien-Schlichting (TS-) waves. A new method for attenuation of these convective instabilities was developed. The work was inspired by the visco-elastic properties of dolphin’s skin. Since no comparable material exists for air flows, these skin properties were simulated by real-time controlled actuators. Based on previous experiments with spatially limited actuation, an extended 'active wall' area as part of the wing’s surface was designed. It is able to generate travelling counterwaves. Different arrangements of piezo-membrane actuators were investigated with arrays of highly sensitive surface flow sensors and appropriate model predictive control strategies. Spanwise differentiated and streamwise cascaded actuation were used as well as inclined wall displacement. The onset of transition could be shifted downstream by 140 mm or seven average TS-wave lengths for a freestream velocity of u = 24,5 m/s. Two-dimensional and oblique boundary layer instabilities could be attenuated. Additionally, the investigation of the boundary layer flow downstream of the active wall area and an efficiency estimation are presented in this doctoral thesis.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-40784
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4070
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3773
Exam Date: 10-Jun-2013
Issue Date: 3-Dec-2013
Date Available: 3-Dec-2013
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Aktive Wand
Echtzeitregelung
Grenzschicht
Laminar-turbulente Transition
TS-Wellendämpfung
Active wall
Boundary layer
Laminar-turbulent transition
Realtime control
TS-wave control
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/de/
ISBN: 978-3-7983-2617-0
Notes: Zugleich gedruckt erschienen im Universitätsverlag der TU Berlin unter der ISBN 978-3-7983-2616-3.
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