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TU Berlin

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Aktive Strömungskontrolle

Strömungskontrolle an stumpfen Körpern

Problemstellung und Ziel

Bei der Umströmung stumpfer Körper (zum Beispiel Kraftfahrzeugen, Eisenbahnzügen, Triebwerks-Pylon und -Strut etc.) treten am Heck des Körpers im Vergleich zu schlanken Konfigurationen wie Flügelprofilen sehr großräumige Strömungsablösungen auf. Diese Ablösungen führen im Nachlauf des Körpers zu hochgradig dreidimensionalen Strömungsfeldern und bewirken einen drastischen Anstieg des Druckwiderstandes in Abhängigkeit von der Heckgeometrie (siehe Abbildung 1, Beispiel Ahmed-Körper).



Abbildung 1: Strömungsfeld am Ahmed-Körper mit 25° Heckrampenwinkel (links), Abhängigkeit des aerodynamischen Gesamtwiderstandes vom Heckrampenwinkel des Modells (rechts)
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Auch hinter zweidimensionalen Körpern wie einem stumpf abgeschnittenen NACA0012-Profil bildet sich ein komplexer Nachlauf resultierend in einer periodischen Ablösung großskaliger Querwirbelstrukturen mit einer dimensionslosen Frequenz (Strouhal-Zahl) von Sr = 0.2 (siehe Abbildung 2, Beispiel NACA0012-Profil).
 

Abbildung 2: stumpf abgeschnittenes NACA0012-Flügelprofil (bei 80% Flügeltiefe, links), phasengemitteltes Strömungsfeld (rechts)
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Zielsetzung der Forschungsarbeiten am Fachgebiet ist die Reduktion des Druckwiderstandes verschiedener Stumpfkörpermodelle (zum Beispiel Ahmed-Körper, siehe Abbildung 1 links) durch eine gezielte Beeinflussung des Ablösegebietes am Heck und der Ablösemechanismen. An den verschiedenen Modellen sollen zunächst die Charakteristika der jeweiligen Wirbel- und Nachlaufkonfigurationen untersucht und darauf aufbauend Ansätze zur aktiven Beeinflussung mittels periodischer und stationärer Druckluft-Jets gefunden werden. Nach der Typisierung der Ablösegebiete sollen jeweils konfigurationsspezifisch effektive Beeinflussungsmethoden und die zugehörigen Aktuationsparameter gefunden sowie der jeweilige Wirkmechanismus untersucht werden.

Methoden und Vorgehen

Die grundlegenden Untersuchungen der Ablösegebiete und Nachläufe hinter den Stumpfkörpermodellen finden am geschlossenen Wasserkanal des Fachgebiets Aerodynamik statt. Zur Erfassung der instationären sowie der zeit- und phasengemittelten Geschwindigkeitsfelder wird hier vor allem die Technik der Particle Image Velocimetry (PIV) eingesetzt.


Die darauf aufbauenden Untersuchungen zur aktiven Strömungskontrolle finden bei vergleichbaren Reynolds-Zahlen an den Windkanälen des Fachgebiets Aerodynamik statt. Hier kommt neben der Particle Image Velocimetry unter anderem auch die Erfassung der zeitgemittelten aerodynamischen Kräfte und der statischen Druckverteilung am Heck zur Anwendung.
In jüngsten Untersuchungen zur aktiven Beeinflussung von Ablösungen an verschiedenen Konfigurationen wie Hochauftriebskonfigurationen oder Turbomaschinen konnte gezeigt werden, dass durch periodische Störimpulse und eine damit verbundene Anregung von Scherschichtwirbeln der Impulstransport quer zur Hauptströmung erhöht und somit die Ablösegebiete deutlich verkleinert werden können. Die aktive Beeinflussung erfolgt daher auch bei den Forschungsarbeiten an den Stumpfkörpermodellen mit Hilfe von periodischen Störimpulsen unter Verwendung von Druckluftaktuatoren.
Für die Beeinflussung werden Schlitzaktuatoren eingesetzt, die an geeigneten Kanten des Modellhecks positioniert werden. Als Parameter werden neben dem Anregeort auch Frequenz, Amplitude und Ausblasrichtung der Störimpulse variiert. Die Aktuatorkammern werden in einem Rapid-Prototyping-Verfahren (Stereo-Lithographie) gefertigt und weisen eine optimierte Strömungsführung auf, um geringe Druckverluste und ein gleichförmiges, homogenes Geschwindigkeitsfeld über der gesamten Schlitzlänge zu erzielen. In Abbildung 3 sind eine Aktuatorkammer und das phasengemittelte Strömungsfeld hinter einem Stumpfheck sowie die Interaktion des Rezirkulationsgebietes mit dem vom Aktuator-Jet induzierten Querwirbel dargestellt.

Abbildung 3: Phasengemitteltes Strömungsfeld hinter dem Stumpfheck des Ahmed-Körpers mit durch periodischen Druckluft-Jet induziertem Querwirbel (links), Aktuatorkammer (rechts)
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Am stumpf abgeschnittenen NACA-Profil erfolgt die Anregung mit dem Ziel des erhöhten Impulsaustausches und der Synchronisierung der Wirbelablösung auf Ober- und Unterseite. Effektive Anregeparameter bewirken eine Verkleinerung des resultierenden zeitgemittelten Rezirkulationsgebietes und somit einen geringeren Impulsverlust aufgrund der Ablösung. Neben den aktiven Maßnahmen werden auch passive Methoden zur Verringerung bzw. Unterdrückung der periodischen Wirbelablösung an der Hinterkante untersucht, zum Beispiel durch eine unterbrochene Hinterkante.

Am Ahmed-Körper mit einem Heckrampenwinkel von 25° (siehe Abbildung 4 links) bewirkt ein stationäres Ausblasen an den Seitenkanten (Aktuator S1) die Abschwächung bzw. Unterdrückung der Längswirbelstrukturen und somit ebenfalls eine deutliche Widerstandsreduktion. Eine kombinierte Aktuation, zum Beispiel mit dem Schlitzaktuator P3 an der Basisoberkante, ermöglicht eine gezielte und effektive Beeinflussung der verschiedenen charakteristischen Strukturen und damit eine weitergehende Widerstandsreduktion, was sich auch in der Verringerung des Druckverlustes am Heck zeigt (siehe Abbildung 4 Mitte und links).

Abbildung 4: Ahmed-Körper mit 25°-Schrägheck und Aktuatorik (links), Einfluss der Heckaktuatoren S1 (stationär) und P3 (periodisch) im isolierten und kombinierten Betrieb auf den relativen Widerstandsbeiwert (Mitte) und den gemittelten Druckbeiwert (recht
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Ansprechpartner

Prof. Dr.-Ing. W. Nitsche

Dipl.-Ing. Daniel Krentel

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