Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4499
Main Title: Design and application of a fluidic actuator system for high lift flow control
Translated Title: Entwurf und Anwendung eines Fluidik-Aktuators zur aktiven Strömungskontrolle an Hochauftriebskonfigurationen
Author(s): Bauer, Matthias
Advisor(s): Nitsche, Wolfgang
Referee(s): Nitsche, Wolfgang
Bieler, Heribert
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: In dieser Dissertation wird der Forschungsfortschritt von der Entwicklung eines neuartigen Aktuatorsystems bis zu dessen Anwendung im Rahmen von Strömungskontrollexperimenten an dem komplexen dreidimensionalen Modell eines Außenflügels bei relevanten Strömungsbedingungen beschrieben. Dabei bilden drei Veröffentlichungen den Hauptbestandteil dieser Arbeit, in denen nacheinander unterschiedliche Aspekte des Forschungsthemas adressiert werden: die Entwicklung eines Strömungskontrollaktuators und dessen Validierung an einer generischen 2D-Zweielementkonfiguration [Bauer2014], die Übertragung des Strömungskontrollansatzes auf eine komplexe Geometrie [Bauer2015a] und schließlich die Zusammenführung dieser Arbeiten und die Anwendung von lokaler aktiver Strömungskontrolle an einem Modell mit für zivile Verkehrsflugzeuge repräsentativer Geometrie und bei nominellen Anströmbedingungen für den Startfall [Bauer2015b]. Der Ansatz der Strömungskontrolle basiert auf der Erhöhung der Durchmischung von energiereicher Außenströmung und energiearmer wandnaher Strömung mittels periodischen gepulsten Ausblasens. Die Ergebnisse aller drei Veröffentlichungen belegen den positiven aerodynamischen Effekt des Einsatzes von lokaler aktiver Strömungskontrolle an der Modellvorderkante. Zunächst wurde an einer 2D-Zweielementkonfiguration demonstriert, dass unter Einsatz des entwickelten zweistufigen Fluidik-Aktuatorsystems der Maximalanstellwinkel deutlich erhöht werden kann mit einhergehender Steigerung des Maximalauftriebs um bis zu 10%. Im Folgenden wurde der Stömungskontrollansatz auf eine komplexe 3D-Geometrie, das Modell eines für moderne Zivilflugzeuge typischen Außenflügelsegments, übertragen, um daran die Möglichkeiten aufzuzeigen, dass durch die Nutzung von lokaler aktiver Strömungskontrolle den ablösebedingten Anstiegs des Widerstands zu höheren Anstellwinkeln hin verschoben werden kann. In diesen Experimenten wurde belegt, dass durch die untersuchte Aktuationsmethode und unter Aufwendung eines moderaten Impulsbeiwertes von 0.62% eine Verbesserung der Gleitzahl um bis zu 80% möglich ist. Schließlich wurden sowohl das Aktuatorsystem als auch die Aktuationsmethode auf ein industrienahes Außenflügelmodell übertragen und bei der für den Startfall eines Verkehrsflugzeugs relevanten Anströmmachzahl von Ma = 0.2 untersucht. Auch unter diesen relevanten Strömungsbedingungen konnte die aerodynamische Leistungsfähigkeit des Modells durch den Einsatz von aktiver Strömungskontrolle verbessert werden, wobei sich eine deutliche Abhängigkeit des Kontrolleffekts von der spannweitigen Verteilung der Einbringung von Impuls- und Massenstrom zeigte. Für die als am effektivsten identifizierte Verteilung wurde bei einem Impulsbeiwert von 0,59% eine Erhöhung des Maximalanstellwinkels um 2,4 Grad und des Maximalauftriebs um 10,5% nachgewiesen. Damit einhergehend konnte eine Widerstandsreduktion um bis zu 37% bezogen auf den Wert der unkontrollierten Grundströmung gezeigt werden.
This dissertation delineates the path of research from the design of a novel actuator system to its application for local active flow control on a highly three-dimensional outer wing model under relevant flow conditions. The core of this contribution consists of three individual publications, which address different aspects of the research topic: the development of a flow control actuator system and its validation on a generic geometry [Bauer2014], the extension of local active separation control to an industry relevant geometry [Bauer2015a], and consecutively, the application of local active flow control to an outer wing geometry representative for civil airliners and at the nominal take-off Mach number using the devised actuator system [Bauer2015b]. The results of all three individual papers prove the aerodynamic benefit of applying active separation control by means of periodic pulsed blowing from near the leading edges of different wing models. First, it was demonstrated that active flow control applied to a 2D two-element wind tunnel model using the developed staged fluidic actuator system is capable of delaying the onset of stall significantly, while simultaneously increasing maximum lift by up to 10%. Subsequently, those results were transferred to the control of local separation on a model of a highly three-dimensional modern civil aircraft outer wing configuration to the end of drag reduction (i.e. the offset of drag increase to higher angles of attack). Those experiments exemplified the capability of pulsed jet actuation to enhance the aerodynamic efficiency of the wing segment by up to 80% for a moderate momentum coefficient of 0.62% invested. Finally the successful synthesis of the two-stage actuator system approach and of the insights gained on controlling a complex flow is detailed along the lines of their application to a high fidelity model in experiments conducted at the nominal take-off incidence Mach number of Ma = 0.2. It was shown that although all the forcing parameter variations tested improve the aerodynamic performance, the control effect is highly sensitive to the local distribution of momentum and mass introduction. For the most effective set of forcing parameters found, a momentum coefficient of 0.59% sufficed to offset the stall angle by 2.4 degrees, to increase maximum lift by 10.5%, and to decrease drag at the maximum angle of attack by 37%. The individual publications and this dissertation as a whole therefore contribute to closing the gap between research aimed at enhancing the understanding of flow control aerodynamics and its application to industry relevant geometries and flow conditions.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-67268
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4796
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4499
Exam Date: 5-Jun-2015
Issue Date: 28-Jul-2015
Date Available: 28-Jul-2015
DDC Class: 629 Andere Fachrichtungen der Ingenieurwissenschaften
Subject(s): Ablösekontrolle
Fluidik-Aktuator
Hochauftrieb
Lokale aktive Strömungskontrolle
Fluidic actuator
High-lift
Local active flow control
Separation control
Usage rights: Terms of German Copyright Law
Appears in Collections:Technische Universität Berlin » Fakultäten & Zentralinstitute » Fakultät 5 Verkehrs- und Maschinensysteme » Institut für Luft- und Raumfahrt » Publications

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