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Flow physics of pulsed-jet actuation: Enhancing the efficiency in active separation control through adjustment of the duty cycle

Steinfurth, Ben

FG Aerodynamik

The injection of pulsed jets into a cross-flowing boundary-layer is well known to prevent or delay flow separation. Although the effectivity of this method has been demonstrated in a variety of academic investigations, a break-through in the aerodynamics industry has so far remained elusive, which may in part be ascribed to excessive energy requirements of the control devices involved. In this thesis, one dimension of the external energy is addressed, namely the supplied mass flow. The overriding objective is to develop an approach that leads to mass flow savings while retaining the control authority. To this end, flow fields forced by a pulsed-jet actuator are studied experimentally in a series of five articles pertaining to this dissertation. Hypothesising that the control authority in such flows is mainly governed by dominant vortex structures, emphasis is first put on their formation in quiescent environment. Despite the considered slit-shaped outlet geometry, almost spherical vortex rings are revealed through tomographic reconstructions of time-dependent velocity fields. Much thicker vortex cores, hence smaller non-dimensional energies, than in previous studies are noted, which is explained by the specific outlet geometry and a temporary occurrence of over-pressure in the jet exit plane. When transverse pulsed jets are superimposed with a cross-flow, two regimes of vortex appearance can be distinguished: for small velocity ratios, hairpin vortices develop whereas for large velocity ratios, asymmetric vortex rings emerge. However, a more effective operation is argued to be at hand when the jet axis is tilted towards the surface downstream of the outlet as the near-wall flow is energised by three mechanisms: (1) radial displacement of low-momentum fluid by the leading vortex, (2) direct increase of momentum flux by the wall jet, for which models are provided and (3) entrainment of high-momentum fluid on the jet trailing part. Applying inclined pulsed jets to counter boundary-layer separation in a generic diffuser setup, the wall-attached jet is shown to be of overriding importance. Therefore, the pulse width needs to exceed characteristic formation times so that in addition to the leading vortex, a wall jet is generated. The time delay between successive pulses, on the other hand, should be adapted to a flow-inherent separation time that governs the recurrence of reverse-flow subsequent to individual jets. Following the guidelines established in this work is equivalent to recasting the reduced actuation frequency into flow-dependent time scales. Furthermore, it is shown that a systematic efficiency enhancement is achieved by applying smaller duty cycles than in previous separation control applications. Future studies must address the transferability of the presented approach to less generic flow configurations while answering practical issues that arise in such applications, including supply pressure requirements, the control of transient loads and the interaction between neighbouring pulsed jets.
Das gepulste Ausblasen in eine Grenzschicht stellt eine effektive Maßnahme zur Verhinderung von Strömungsablösung dar. Trotz zahlreicher Demonstrationen ist ein Durchbruch dieser Methode im industriellen Kontext jedoch bisher ausgeblieben, was zum Teil auf einen übermäßigen Energiebedarf zurückgeführt werden kann. In dieser Arbeit wird eine Dimension der extern zugeführten Energie adressiert, nämlich der benötigte Massenstrom. Das übergeordnete Ziel ist es, einen Ansatz zur Effizienzsteigerung zu entwickeln, der zu Einsparungen des Massenstroms bei Gewährleistung der erforderlichen Kontrollautorität führt. Zu diesem Zweck werden Strömungsfelder experimentell untersucht, die durch gepulste Jets beeinflusst werden. Ausgehend von der Hypothese, dass großskalige Wirbelstrukturen maßgeblich für die Kontrollautorität gepulster Jets verantwortlich sind, wird zunächst deren Formierung in ruhender Umgebung untersucht. Trotz der schlitzförmigen Austrittsgeometrie werden runde Wirbelringe mit dickeren Wirbelkernen als in früheren Studien festgestellt. Dies wird mit dem hohen Seitenverhältnis des Auslasses einerseits und einem temporären Überdruck in der Jet-Austrittsebene andererseits erklärt. Bei Überlagerung der gepulsten Jets mit einer senkrecht zu ihnen orientierten Querströmung entstehen, abhängig vom Geschwindigkeitsverhältnis, entweder hairpin vortices oder asymmetrische Wirbelringe. Die im Sinne der Ablösekontrolle geeignetere Betriebsweise wird jedoch durch eine Neigung der Jet-Achse in Strömungsrichtung erreicht, da hier, bezogen auf den eingesetzten Massenstrom, eine stärkere Erhöhung der mittleren kinetischen Energie im wandnahen Bereich erfolgt. Folgende Mechanismen wurden diesbezüglich identifiziert: (1) radiale Verdrängung von Fluid mit niedrigem Impuls durch den leading vortex, (2) direkte Erhöhung des Impulsstroms durch den Wandstrahl und (3) entrainment von Fluid mit hohem Impuls durch den stopping vortex. Insbesondere der Wandstrahl, für den in dieser Arbeit Möglichkeiten der Modellierung aufgezeigt werden, ist von großer relativer Bedeutung. Daher muss die Pulsweite so gewählt sein, dass dieser, zusätzlich zu dem leading vortex, erzeugt wird. Der Zeitverzug zwischen einzelnen Fluidpulsen sollte dagegen an eine charakteristische Zeitskala angepasst werden, die das Wiederauftreten von Rückströmung bestimmt. Der in dieser Arbeit entwickelte Ansatz zur Auswahl von Aktuationsparametern sieht eine Implementierung strömungsabhängiger Zeitskalen vor, welche an die Stelle der sonst herangezogenen reduzierten Aktuationsfrequenz treten. Dabei können systematische Effizienzsteigerungen erzielt werden, indem der Betriebszyklus im Vergleich zu bisherigen Arbeiten reduziert wird. Zukünftige Studien müssen sich mit der Beantwortung von Fragen auseinandersetzen, die bei der Übertragung auf weniger generische Konfigurationen auftreten, einschließlich der Anforderungen bezüglich des Versorgungsdruckes, der Kontrolle transienter aerodynamischer Lasten und der Interaktion benachbarter Jets.