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TU Berlin

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DCOpt – Effizienzsteigerung von aktiver Strömungskontrolle durch Optimierung des Betriebszyklus

Abbildung 1: Massenstrom und Geschwindigkeitsverhältnis als Funktion des Betriebszyklus bei konstantem Impulsbeiwert
Lupe

Das gepulste Ausblasen eines Fluides in eine Querströmung ist ein auf Forschungsebene verbreiteter Ansatz zur aktiven Kontrolle von Strömungsablösungen, der u. a. am FG Aerodynamik intensiv verfolgt wird. Dabei werden kohärente Wirbelstrukturen generiert, die eine Impulserhöhung der Strömung in Wandnähe bewirken. Trotz der vielfach nachgewiesenen Wirksamkeit dieser Maßnahme und ihres Potentials zur Vereinfachung mechanisch komplexer Hochauftriebssysteme ist eine Etablierung in der Luftfahrtindustrie bisher nicht erfolgt, auch weil der hierfür benötigte Massenstrom nicht zur Verfügung gestellt werden kann. Das übergeordnete Ziel des Projektes DCOpt ist es daher, relevante strömungsphysikalische Vorgänge zu klären und eine innovative Herangehensweise in der Auswahl wesentlicher Beeinflussungsparameter zu erarbeiten.

Der Ansatz für das Vorhaben beruht auf der Erkenntnis, dass emittierte Luftstrahlen nur bei spezifischen Pulsweiten ausschließlich großskalige Wirbel formieren. Bei Überschreiten dieser Zeitskalen werden jedoch auch Nachlaufstrukturen erzeugt, die im Sinne der Ablösekontrolle weniger bedeutsam sind, also mit einer verringerten Effizienz einhergehen. Anhand der Ergebnisse von Voruntersuchungen ist davon auszugehen, dass die Pulszeit in dieser Hinsicht regelmäßig zu hoch gewählt wird. Neben einer Effizienzsteigerung ist bei entsprechend verkürzter Pulsdauer außerdem eine erhöhte Effektivität zu erwarten, da bei gleichem Impulseintrag das Verhältnis zwischen Strahlgeschwindigkeit und Querströmung erhöht ist (Abbildung 1).

 

Während die Zeitskala bezüglich der effizienten Formierung von Ringwirbeln für kreisförmige Strahlaustritte bekannt ist, liegt im Fall schlitzförmiger Austritte, wie sie in der aktiven Ablösekontrolle typischerweise eingesetzt werden, eine Forschungslücke vor. Zunächst sind daher systematische Untersuchungen zur Klärung der strömungsmechanischen Vorgänge bei dieser Konfiguration in einem Wasserkanal vorgesehen. Die Erkenntnisse werden anschließend im Windkanal mit einem repräsentativen Aufbau validiert, bevor Untersuchungen bezüglich der spezifischen Ablösezeit bei adversem Druckgradient durchgeführt werden. Diese Zeitspanne legt zusammen mit der optimierten Pulsdauer den Betriebszyklus für den periodischen Vorgang des gepulsten Ausblasens fest, der mit signifikant gesteigerter Effizienz einhergeht. Abschließend erfolgen Experimente zur Interaktion von Wirbelstrukturen benachbarter Luftauslässe sowie eine Einschätzung des Einflusses der identifizierten Mechanismen auf den optimierten Betriebszyklus. Durch den generischen Charakter der geplanten Experimente bei gegebenem Bezug zu existenten Anwendungsszenarien wird erwartet, dass die Übertragung der gewonnenen Forschungsergebnisse eine gezieltere Auswahl der Beeinflussungsparameter ermöglicht und bei verschiedensten Strömungskonfigurationen deutliche Effizienzsteigerungen herbeiführt.

 

 

“Formation time scales for vortex rings generated with non-circular outlets (Gallery of Fluid Motion 2019)”

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