Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-645
Main Title: Separation Control by Flow-Induced Oscillations of a Resonator
Translated Title: Beeinflussung von Ablösung durch strömungserregte Resonatorschwingungen
Author(s): Urzynicok, Frank
Advisor(s): Fernholz, Hans-Hermann
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Strömungserregte akustische Resonatoren werden als adaptive passive Methode zur Beeinflussung von Ablösung untersucht. Passive Methoden benötigen keine Energiezufuhr von außen, um die Strömung zu verändern. In diesem Fall wird Fluid in einem Resonator durch Wechselwirkung mit einer Querströmung in Schwingung versetzt. An der Mündung entstehende Wirbel strukturieren die Strömung stromab so um, daß zusätzlicher Impuls in Wandnähe transportiert wird. Dadurch wird im zeitlichen Mittel ein Rückströmgebiet verkleinert oder ganz eliminiert. Die Kenngrößen der Beeinflussung (fluktuierender Impulsstrom in der Mündung und Frequenz der Schwingung) können über einen geschlossenen Regelkreis durch Veränderung der Resonatorgeometrie auf den Strömungszustand abgestimmt werden. Um die Eigenfrequenzen und -moden zu bestimmen, wurden analytische, numerische und experimentelle Methoden angewendet. Eine Querströmung kann Resonanzschwingungen anregen, wenn die Frequenz, mit der sich im Resonatorhals Wirbel bilden, annähernd gleich einer dieser Eigenfrequenzen ist. Die Bildung der Wirbel wird durch die Geometrie der Resonatormündung bestimmt. Diese wurde so optimiert, daß die Wirbelstärke-Produktion erhöht wurde, verbunden mit einer verbesserten Wirkung auf ein stromab gelegenes Ablösegebiet. Beim Einsatz mehrerer, in Spannweitenrichtung benachbarter Resonatoren bilden sich gegenphasige Schwingungszustände aus. Im Nachlauf der Schwingungsknoten entstehen alternierende Längswirbel, die die Wandschubspannung in diesem Bereich erhöhen und daher weiter zur Verringerung von Ablösegebieten beitragen. Gegenüber einem einzelnen Resonator ist der abgestrahlte Schalldruck um etwa eine Größenordnung verringert. Die Methode wurde erfolgreich in zwei Strömungskonfigurationen eingesetzt: in einem Halbdiffusor mit 23° Öffnungswinkel und an einem gegenüber der Strömung stark angestellten Tragflügel mit FX 61-184-Profil (23°). In beiden Fällen befanden sich die Resonatoren kurz stromauf der Ablöselinie. Im Diffusor wurde eine turbulent ablösende Grenzschicht durch in der Helmholtz-Mode schwingende Resonatoren beeinflußt. Das geschlossene Rückströmgebiet wurde verkleinert und der Druckrückgewinn mit einem Resonator um 13 % erhöht. Mit zwei gegenphasig schwingenden Resonatoren betrug die Verbesserung 18 %. Um den Resonator an veränderliche Strömungsbedingungen anzupassen, wurde ein geschlossener Regelkreis eingesetzt, der auf einem Maximum-Such-Verfahren basierte. Als Stellgrößen dienten Schlitzweite und Höhe des Resonator-Hohlraumes, während der Schalldruck im Resonator und der Druckrückgewinn im Diffusor als Regelgrößen verwendet wurden. Der Regler konnte das globale Optimum beider Parameter unabhängig von den Anfangsbedingungen auffinden. In den Experimenten am Tragflügel wurde die nahe der Vorderkante laminar ablösende Strömung durch einen Resonator beeinflußt, der in der ersten azimuthalen Hohlraum-Mode schwang. Die Länge des sich ursprünglich über die gesamte Saugseite des Profils erstreckenden Ablösegebietes wurde verringert. Stromab des Resonators gemessene Geschwindigkeitsprofile zeigten einen Impulszuwachs in Wandnähe. Die Saugspitze in der Druckverteilung wurde teilweise wiederhergestellt, woraus ein Auftriebsgewinn gegenüber dem unbeeinflußten Fall von bis zu 36 % resultierte.
Flow-induced acoustic resonators are investigated as adaptive passive devices of separation control. Passive methods do not require an external energy input to manipulate the flow. In this case, fluid in a resonator oscillates by interaction with a cross-flow. Vortices generated at the orifice rearrange the flow downstream of the resonator so that additional momentum is transported into the near-wall region reducing or even eliminating reverse flow in the time-mean. The characteristic parameters of the control (fluctuating momentum flux in the orifice and frequency of the oscillation) can be adjusted to the flow conditions by changing the geometry of the resonator via an adaptive feed-back controller. To determine the natural frequencies and modes of resonators, analytical, numerical, and experimental methods were applied. A cross-flow can trigger resonance, if the frequency at which vortices form in the resonator orifice is close to one of these natural frequencies. The formation of vortices is conditioned by the geometry of the resonator neck. It was optimized such that vorticity production was enhanced resulting in a greater impact on a downstream separation region. Neighboring resonators exhibit a mode of anti-phase oscillation when arranged in spanwise direction. In the wake of the nodes of the oscillation, alternating longitudinal vortices form which increase the wall-shear stress in this region. Therefore, they contribute to a further reduction of a separation region. Compared with a single resonator, the radiated sound pressure is diminished by about an order of magnitude. The method was successfully applied to two flow configurations: the flow in a half diffuser with expansion angle 23° and the flow around an airfoil with FX 61-184 profile at high angle of attack (23°). In both cases, resonators were located just upstream of the separation line. Microphone measurements as well as phase-locked LDA and PIV measurements of the velocity fields in the resonator necks and in their wakes were performed. In the diffuser, a separating turbulent boundary layer was controlled by resonators of rectangular cross-section. The mode of oscillation was of the Helmholtz type. As a result, the extension of the closed reverse-flow region was reduced and the pressure recovery was increased by 13 % with one resonator, and by 18 % using two resonators that oscillated in anti-phase. To adapt the resonator to changing flow conditions, a closed-loop control concept based on an extremum seeking strategy was employed. Manipulated variables were the slit width and the height of the resonator cavity, while controlled variables were the sound pressure in the resonator and the pressure recovery in the diffuser. The global optimum of both parameters was found by the controller independent of the initial conditions. In the airfoil experiments, the laminar flow separating close to the leading edge of the wing section was manipulated by a resonator of circular cross-section oscillating in the first azimuthal cavity mode. The length of the separation region, which initially extended over the entire upper surface of the wing, was reduced. Velocity profiles measured downstream of the resonator showed an increase in momentum near the wall. Thereby, the suction peak in the pressure distribution was partially restored resulting in a lift gain of up to 36 % compared with the unforced case.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-5475
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/942
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-645
Exam Date: 4-Jul-2003
Issue Date: 23-Jul-2003
Date Available: 23-Jul-2003
DDC Class: 600 Technik, Technologie
Subject(s): Diffusor-Experimente
G
Strömungsbeeinflussung
Strömungserregter akustischer Resonator
Strömungsinduzierte Schwingungen
Tragflügel-Experimente
Aerodynamically excited acoustic resonator
Airfoil experiments
Closed-loop cont
Diffuser experiments
Flow-induced oscillations
Separation control
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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