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April 2014
Viktor Hermes
Numerische Untersuchung des Einflusses von stromauf laufenden Druckwellen auf die Transition im Transschall
Der Widerstand eines umströmten Körpers zum Beispiel eines Flugzeugs hängt maßgeblich vom Zustand des wandnahen Bereichs, Grenzschicht genannt, ab. Klassischerweise wird zwischen einer laminaren und einer turbulenten Grenzschicht unterschieden, wobei die letztere einen höheren Widerstand verursacht. Der Übergang vom laminaren zum turbulenten Zustand wird als Transition bezeichnet und ist neben der Geometrie und stationären Strömungsgrößen von Fluktuationen abhängig. Diese Strömungsfluktuationen treten entweder innerhalb oder außerhalb der Grenzschicht auf. Die äußeren Fluktuationen werden in die Grenzschicht eingekoppelt und führen nach weiterem Anwachsen zur Transition.
Die Hinterkante eines umströmten Tragflügelprofils ist eine Quelle akustischer Druckwellenanregung. Die Druckwellen entfernen sich in alle Raumrichtungen vom Entstehungsort. Der stromauf laufende Teil der Druckwellen bewegt sich dabei entgegen der Hauptströmungsrichtung, was bei hohen subsonischen Anströmgeschwindigkeiten zur langsamen Wellengeschwindigkeit relativ zum Profil führt. In Abhängigkeit von der Druckwellenamplitude und -frequenz steilen sich die zunächst harmonischen Wellen nichtlinear zu schwachen Verdichtungsstößen auf. Während ihrer weiteren Bewegung stromauf interagieren die schwachen Verdichtungsstöße nun stark nichtlinear miteinander und mit der Strömung. Zum einen wird am Profil eine Selbstorganisation der Druckwellen beobachtet. Das heißt, während ihre Form, Frequenz und Amplitude in der Hinterkantennähe recht zufällig und chaotisch ist, was auf ihre Entstehung durch die Scherung der turbulenten Wirbel an der Hinterkante zurückzuführen ist, wird dagegen weiter stromauf eine Ausrichtung der Wellenfront in Hauptströmungsrichtung und eine deutliche Reduktion der Frequenz, durch Einholen der schwachen Verdichtungsstöße durch starke, beobachtet. Zum anderen wird vermutet, dass schwache stromauf laufende Verdichtungsstöße die Transition beeinflussen. Diese Arbeit stellt eine Untersuchung dieser Wechselwirkung unter vereinfachten Bedingungen mittels einer numerischen Strömungssimulation dar. Dabei werden die Parameter der Druckwellen systematisch variiert und die Auswirkung auf das Strömungsfeld, insbesondere den Zustand der Grenzschicht, quantitativ analysiert.
Die Hinterkante eines umströmten Tragflügelprofils ist eine Quelle akustischer Druckwellenanregung. Die Druckwellen entfernen sich in alle Raumrichtungen vom Entstehungsort. Der stromauf laufende Teil der Druckwellen bewegt sich dabei entgegen der Hauptströmungsrichtung, was bei hohen subsonischen Anströmgeschwindigkeiten zur langsamen Wellengeschwindigkeit relativ zum Profil führt. In Abhängigkeit von der Druckwellenamplitude und -frequenz steilen sich die zunächst harmonischen Wellen nichtlinear zu schwachen Verdichtungsstößen auf. Während ihrer weiteren Bewegung stromauf interagieren die schwachen Verdichtungsstöße nun stark nichtlinear miteinander und mit der Strömung. Zum einen wird am Profil eine Selbstorganisation der Druckwellen beobachtet. Das heißt, während ihre Form, Frequenz und Amplitude in der Hinterkantennähe recht zufällig und chaotisch ist, was auf ihre Entstehung durch die Scherung der turbulenten Wirbel an der Hinterkante zurückzuführen ist, wird dagegen weiter stromauf eine Ausrichtung der Wellenfront in Hauptströmungsrichtung und eine deutliche Reduktion der Frequenz, durch Einholen der schwachen Verdichtungsstöße durch starke, beobachtet. Zum anderen wird vermutet, dass schwache stromauf laufende Verdichtungsstöße die Transition beeinflussen. Diese Arbeit stellt eine Untersuchung dieser Wechselwirkung unter vereinfachten Bedingungen mittels einer numerischen Strömungssimulation dar. Dabei werden die Parameter der Druckwellen systematisch variiert und die Auswirkung auf das Strömungsfeld, insbesondere den Zustand der Grenzschicht, quantitativ analysiert.
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