Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4456
Main Title: Active control of trailing vortices by means of long- and short-wavelength actuation
Translated Title: Aktive Kontrolle von Randwirbeln mittels lang- und kurzwelliger Anregung
Author(s): Strangfeld, Christoph
Advisor(s): Paschereit, Christian O.
Greenblatt, David
Woszidlo, Rene
Referee(s): Müller, Wolfgang H.
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Ein endlicher Flügel bildet stromab eine Wirbelschicht aus, welche sich ausrollt und einen starken Längswirbel generiert. Dieser Wirbel ist bekannt als Flügelspitzenrandwirbel. In dieser Dissertation wird die aktive Kontrolle dieser Randwirbel mittels lang- und kurzwelliger Anregung untersucht. Die kurzwellige Aktuation regt einerseits die sich aufrollende Scherschicht und deren Instabilitäten an. Somit konvektiert eine modifizierte Scherschicht in den Wirbelkern und beeinflusst somit Randwirbelstärke direkt an dessen Ursprung. Andererseits beeinflusst auch die gebundene, spannweitige Zirkulationsverteilung die Stärke und Position der Randwirbel. Dieser globale, langwellige Effekt ist quantifiziert für instationäre Strömungszustände. Beide Ansätze sind experimentell und theoretisch untersucht mit dem Ziel der Kontrolle der instationären Zirkulationsverteilung und letztendlich der Randwirbelstärke. Im letzten Schritt wird die Kontrollwirkung und deren Interaktion an einem realistischen, endlichen Flügel in instatioären Bedingungen mit Hilfe der Theorie von Betz quantifiziert. Stromab einer schrägen, halbspannweitigen Stufe wird experimentell ein freier Wirbel generiert. Dieser Aufbau ermöglicht die Beurteilung der Zirkulationskontrolle von Längswirbeln mittels lokaler, kurzwelliger Anregung. Somit wird der Randwirbel direkt am Ort dessen Entstehung kontrolliert. Die angeregte, sich aufrollende Scherschicht transportiert eine veränderte Menge und Wirbelstärke in den Wirbelkern und modifiziert somit den Längswirbel. Somit kontrolliert die lokale Anregung letztendlich die Randwirbelstärke. Messungen der Grundströmung an dieser neu entwickelten Geometrie weisen die Generierung eines Längswirbels auf. Strömungsvisualisierungen stimmen mit den Strömungsstrukturen von Flügelrandwirbel und weiteren Tütenwirbelstrukturen bekannt von Delta-Flügeln oder C-Säulen am "Ahmed body" überein. Die Zirkulation soll mit Hilfe von Anregung der Kelvin-Helmholtz Instabilität erfolgen. Die hoch drei-dimensionale Strömung und die stark gekrümmte Scherschicht und deren Instabilitäten kann nur mit transversaler Aktuation zufriedenstellend angeregt werden. Somit müssen die Aktuatoren, hier segmentierte Klappen, bei verschiedenen Amplituden, Frequenzen und Phasenwinkeln zu einander operieren. Das Design, die Entwicklung und die Tests des hier neu entwickelten Aktuationsansatzes sind in dieser Arbeit dokumentiert. Die vielversprechenden Ergebnisse zeigen eine hohe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit verschiedener Amplituden, Frequenzen und Phasenwinkel bis zu Frequenzen von 35Hz. Fast im gesamten Messbereich der synchronisierten, zeitauflösenden Oberflächendrucksensoren dominiert die Aktuationsfreqeunz das Spektrum. Ein direktes und fast lineares Antwortverhalten der Strömungsstrukturen in Abhängigkeit von der Anregungsfrequenz wird beobachtet und quantifiziert. Bei geringen Reynolds Zahlen liegt der Aktuationseffekt bei ca. 8%. Stärkere Kontrolleffekte werden vermutlich durch die schon voll-turbulent ausgebildete Grenzschicht stromauf der Hinterkante der Stufe verhindert, wenn gleich theoretisch deutlich unterkritische Reynolds Zahlen betrachtet werden. Dies macht eine exakte Anregung der Kelvin-Helmholtz Instabilität in laminarer Strömung unmöglich. Weiterhin wird ein theoretischer Ansatz basierend auf der Stabilitätstheorie vorgestellt, um die Frequenz der natürlichen Instabilität einer gekrümmten Scherschicht vorherzusagen. Vergleiche zu reibungsfreien und reibungsbehafteten zwei-dimensionalen Scherschichten zeigen eine gute Übereinstimmung. Eine Validierung mit Hilfe von 2.5-dimensionalen Scherschichten scheitert auf Grund fehlender Referenzwerte in der Literatur. Dennoch werden die drei Geschwindigkeitskomponenten der gekrümmten Scherschicht experimentell bestimmt und eine zeitliche Stabilitätsanalyse einer 2.5-dimensionalen Scherschicht wird durchgeführt. Der zweite Ansatz um die Randwirbelstärke zu kontrollieren ist langwellige Anregung. In diesem Szenario ist der gesamte Flügel mit instationären Effekten wie Nick- und Vertikalbewegung als auch einer oszillierenden Anströmung ausgesetzt. Die Wellenlängen dieser Instationaritäten sind um mehrere Größenordnungen größer als bei Kelvin-Helmholtz Instabilitäten. Dennoch hat die spannweitige Zirkulationsverteilung einen deutlichen Einfluss auf die Randwirbelstärke und deren Position. Daher ist eine präzise Vorhersage der Zirkulation von gebundenen Wirbeln entlang der Spannweite in instationären Zuständen von großer Wichtigkeit, obwohl bislang keine validierte Theorie existiert. Basierend auf der stationären Lösung von Kutta-Joukowski, welche eine ebene Platte in Potentialströmung betrachten, haben Theodorsen, Greenberg, Isaacs und van der Wall instationäre Randbedingungen wie z. B. Nick- und Vertikalbewegung als auch eine oszillierende Anströmung mit berücksichtigt. Auch wenn diese Theorien teilweise mehr als 70 Jahre alt sind, so existieren keine experimentellen Validierungen bei mittleren und hohen Anströmungsamplituden. Deshalb wird ein NACA 0018 Flügelprofil experimentell untersucht, welches dynamische Nickbewegungen ausführt und einer instationären Anströmung ausgesetzt ist. Die Experimente zeigen eine hohe Übereinstimmung zu den theoretischen Vorhersagen der instationären Zirkulationsentwicklung. Die Amplitude und der Phasenwinkel stimmen mit der Theorie von Isaacs und van der Wall bei einer Anströmamplitude von 50% gut überein. Weiterhin wird die nicht-lineare Interaktion zwischen simultaner Nickbewegung und oszillierender Anströmung experimentell bestätigt. Basierend auf diesen neuen experimentellen Validierungen werden die Theorien als korrekt angesehen. Außerdem wird die verallgemeinerte Theorie von Isaacs, welche von van der Wall formuliert wurde, erweitert um zusätzlich die instationäre Wirbelstärkeverteilung entlang der Flügelsehne vorherzusagen. Diese Erweiterung gibt einen detaillierteren Einblick in die Wirbelstärkenverteilung unter instationären Randbedingungen. Diese neu gewonnenen theoretischen Ergebnisse und die experimentelle, instationäre Druckverteilung zeigen eine gute Übereinstimmung bei allen Phasenwinkeln. Basierend auf diesen Messungen wird die hier präsentierte Theorieerweiterung als validiert betrachtet. Diese Validierung ermöglicht nun die benötige Bestimmung der instationären, spannweitigen Zirkulationsverteilung, welche die Randwirbelstärke und deren Position beeinflusst. Im letzten Schritt wird die Interaktion der spannweitigen und längsseitigen Zirkulation durch aktive Strömungskontrolle mit Hilfe der Erweiterung der Betz Theorie quantifiziert. Dabei wird gezeigt, dass schon bei geringen und moderaten, reduzierten Frequenzen die Variation der spannweitigen Lasten einen deutlichen Einfluss von mehr als 25% auf die Randwirbelstärke und deren Position hat. Diese instationäre, langwellige Interaktion ist vermutlich der Hauptgrund für einen beschleunigten Wirbelzerfall.
Downstream of a finite wing, the vorticity sheet emitted at the trailing edge starts to roll up and a strong streamwise vortex is generated. This vortex is known as the wing tip vortex. In this thesis, the active control of trailing vortices by means of long- and short-wavelength actuation is investigated. On the one hand, local short-wavelength forcing excites the rolling up shear layer and its instabilities. Thus, the locally modified shear layer convects into the vortex core and directly influences the trailing vortex strength at its origin. On the other hand, active control of the bound, spanwise circulation influences the strength and position of the trailing vortex as well. This global long-wavelength effect is quantified for unsteady flow regimes. Both approaches are investigated experimentally and theoretically with the objective to achieve the control of unsteady circulation distribution, and hence of the trailing vortex strength. In the end, the control authority and the interaction are quantified on a realistic finite wing under unsteady conditions by means of Betz's theory. Downstream of a swept, semi-span, backward facing step, a streamwise vortex is generated experimentally. This setup enables the assessment of circulation control of the streamwise vortex by means of local short-wavelength forcing. By means of this approach, the trailing vortex is controlled at its origin. The forced, rolling up shear layer transports another amount of vorticity into the vortex core and the trailing vortex circulation is modified. Finally, the local forcing controls the vortex strength. Baseline measurements on this newly invented generic geometry yield a stable generation of a streamwise vortex. Flow visualisations prove the high agreement of this flow structure to trailing vortices and other vortical structures like streamwise vortices on delta wings, or at the C-pillar of an Ahmed body. Its circulation is controlled by manipulating the instabilities of the separating shear layer which rolls up into this free vortex. This highly three-dimensional flow as well as the emitted twisted shear layer and its Kelvin-Helmholtz-instabilities may be sufficiently controlled by only a transversal excitation. Thus, actuators (segmented flaps) operating at arbitrary amplitudes, frequencies and phase lags are designed, developed and tested. This innovative approach of actuation shows promising results. They show a high repeatability and reliability for the frequency, amplitude, and phase lag of each distinct flap up to a frequency of 35Hz. In almost the entire region of the vortex the actuation frequency dominates the frequency spectrum. A direct and almost linear response of the flow field dependent on different phase lags is recorded and quantified. At low Reynolds numbers, the control effects amount to approximately 8%. Stronger control effects are probably prohibited by the already fully turbulent boundary layer upstream of the trailing edge on the step at considerably sub-critical Reynolds numbers. This renders a distinct actuation of a Kelvin-Helmholtz instability in laminar flow impossible. Furthermore, an ansatz to compute the natural instability frequency of twisted shear layers is proposed with the aid of stability analysis. Comparisons to inviscid and viscous two-dimensional shear layers yield a good agreement. A validation of a 2.5-dimensional shear layer fails due to the lack of reference values in the literature. However, the three velocity components of the rolling up shear layer are experimentally determined and a temporal stability analysis of the 2.5-dimensional shear layer is conducted. The second approach to control the trailing vortex strength is the long-wavelength actuation. In this scenario, the entire wing is facing unsteady conditions like pitching, unsteady inflow, or vertical wing motion. The wavelengths of the unsteadiness are several magnitudes larger compared to Kelvin-Helmholtz instability. Nevertheless, the spanwise circulation distribution has a direct impact on the trailing edge strength and position. Thus, a precise prediction of the circulation of bound vortices along the span under unsteady conditions is of great importance although the validated theories are, as yet, missing. Based on the steady solution of Kutta-Joukowski who considers a flat plate in potential flow, the approaches of Theodorsen, Greenberg, Isaacs, and van der Wall include unsteady conditions like pitching and plunge motions, and an oscillating free stream. Although these theories are partly more than 70 years old, an experimental validation at moderate and high free stream velocity amplitudes is still missing. Thus, a NACA 0018 airfoil is experimentally investigated during pitching and facing an unsteady free stream. The experimental results show a high agreement with the theoretical predictions of the unsteady circulation. The amplitude and the phase coincide with Isaacs' and van der Wall's theories at velocity amplitudes of 50%. Furthermore, the predicted nonlinear interaction between pitching and simultaneous unsteady free stream is reproduced in the experiments. Based on these new experimental results, the theories are validated. Moreover, Isaacs' generalised theory proposed by van der Wall is theoretically extended in this thesis to further predict the unsteady pressure distribution along the chord. This excitation gives a more detailed insight into the vorticity distribution under highly unsteady boundary conditions, in fact the unsteady free stream, oscillating pitching and plunge motion, as well as the combined effects amongst one another. These new theoretical findings and the experimentally obtained unsteady pressure distribution coincide with each other at all phase angles. Based on this validation, the reliability of the extended theory is confirmed. This validation leads to the required unsteady, spanwise circulation distribution which influences the trailing vortex strength and position. In a final step, the interaction of the streamwise and spanwise circulation due to active flow control is quantified by means of an extension of Betz's theory. It is shown that the variation of the spanwise loading influences remarkably the streamwise vortex strength and position by more than 25% already at low and moderate reduced frequencies. This unsteady, long-wavelength interaction is probably the main reason of an accelerated trailing vortex bursting.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-66259
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4753
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4456
Exam Date: 21-Apr-2015
Issue Date: 19-Jun-2015
Date Available: 19-Jun-2015
DDC Class: 532 Mechanik der Fluide; Mechanik der Flüssigkeiten
Subject(s): Strömungskontrolle
Randwirbelkontrolle
instationärer Auftrieb
Crow-Instabilität
Betz-Theorie
Active flow control
trailing vortex control
unsteady lift theory
crow instability
Betz theory
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