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Aircraft-scale application of active separation control at the pylon-wing junction

Schlösser, Philipp

The wing area behind the pylon-wing junction of conventional civil aircraft configurations with underwing-mounted turbofan engines is susceptible to local flow separation at high angles of attack, which potentially impacts the maximum lift performance of the aircraft. With further advances in turbofan engine technology, bypass-ratios will reach levels of larger than 15:1. As long as no drastic configuration changes are introduced, these engines will need to be coupled even closer to the wing which limits the extent of the inboard slat further, resulting in stall-inducing flow separation at high angles of attack. This dissertation fills in the research gap, by focusing on the application of an Active Flow Control system for separation control at the pylon-wing junction. In focus of the work is the application on an aircraft-scale model which covers the key drivers of a realistic aircraft application. A flow control concept on basis of an unsteady fluidic actuator has been implemented into the wind tunnel model design. The aerodynamic effect of this flow control actuator has been studied with the help of force and pressure measurements, as well as flow visualization. Results have shown a compelling effect of the actuation: the lift is increased across a wide range in angle of attack originating from a reduction of the local separation behind the pylon-wing junction. Further testing on a realistic configuration underlines the results of aircraft-scale testing. Reynolds and Mach number scaling play an important role on the investigated high-lift configuration. The aircraft-scale test is a necessity to avoid such influences on the flow control investigations. In conclusion, unsteady fluidic actuation has been proven to delay local separation behind the pylon-wing junction. The flow control system could satisfy the requirements with respect to the aerodynamic effect and the industry-relevant constraints. The presented results increase the comprehension of the underlying flow mechanisms and pave the way for further industry-relevant research and applications.
Lokale Strömungsablösung im Bereich der Triebwerksaufhängung kann den maximalen Auftrieb auf klassischen Flugzeugkonfigurationen limitieren und damit die Reichweite und Nutzlast reduzieren. Diese Ablöseeffekte werden durch die Integration moderner “ultra-high-bypass-ratio” Triebwerke mit hohen Nebenstromverhältnissen von über 15:1 noch weiter verstärkt, da deren Gondeldurchmesser eine engere Kopplung mit dem Flügel erfordert und die Vorflügel im Inbordbereich kürzer dimensioniert werden müssen. Die vorliegende Arbeit dokumentiert die Untersuchung und Anwendung eines aktiven Strömungskontrollsystems im Bereich dieser Triebwerksposition. Im Fokus der Arbeit steht die Anwendung auf einem Windkanalmodell im Flugzeugmaßstab, das die wichtigsten Treiber einer realistischen Flugzeuganwendung abdeckt. Ein Strömungskontrollsystem basierend auf fluidischer Technologie wurde in das Windkanalmodell implementiert. Der aerodynamische Effekt dieses Strömungkontrollsystems konnte mit Hilfe von Kraftund Druckmessungen sowie von Strömungsvisualisierungen untersucht werden. Die Ergebnisse der Windkanaluntersuchungen haben einen deutlichen Effekt der Aktuierung gezeigt: Der Auftrieb wird über einen weiten Anstellwinkelbereich erhöht, was auf die Reduzierung der lokalen Ablösung hinter der Triebwerksaufh ängung zurückzuführen ist. Weitere Untersuchungen an einem realistischen Flugzeugmodell unterstreichen die Ergebnisse dieser Tests. Reynolds- und Machzahleffekte spielen an der untersuchten Hochauftriebskonfiguration eine wesentliche Rolle. Die Windkanalversuche im Flugzeugmaßstab sind eine Notwendigkeit, um solche Einflüsse auf die Strömungskontrollexperimente zu vermeiden. Zusammenfassend hat sich gezeigt, dass die instationäre fluidische Aktuierung die lokale Ablösung hinter der Triebwerksaufhänung verzögern kann. Das Strömungskontrollsystem konnte die Ansprüche hinsichtlich des aerodynamischen Effekts und der industrierelevanten Anforderungen erfüllen. Die vorgestellten Ergebnisse ermöglichen es die zugrunde liegenden Strömungsmechanismen besser zu verstehen und ebnen damit den Weg für weitere industrierelevante Forschung und Anwendung.