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TU Berlin

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Aktive Strömungskontrolle

Laminarflügelforschung im Freiflug

An Tragflügeln bildet sich zwischen Oberfläche und Außenströmung eine Geschwindigkeitsgrenzschicht aus, die u. a. den Reibungswiderstand des Körpers bewirkt. Die Grenzschicht ist zunächst laminar und widerstandsarm. Sehr kleine Störungen werden mit zunehmender Laufstrecke in der Grenzschicht verstärkt. Sie verursachen einen Übergang zur turbulenten Grenzschicht und damit einen höheren Reibungswiderstand. Weltweit wird intensiv daran gearbeitet, diesen laminar-turbulenten Übergang - die Transition - am Tragflügel,  zu größeren Flügeltiefen zu verlagern. Um dass zu erreichen, wurden bereits eine Vielzahl von passiven und aktiven Methoden untersucht.
Darüberhinaus sollten die Experimente zur Laminarflügelforschung idealerweise unter den realen Bedingungen des Flugversuchs verifiziert werden.

Laminarflügelmesshandschuh für ein Segelflugzeug:
Eine Möglichkeit Experimente im Freiflug durchzuführen, ohne dass in die Struktur des Flugzeuges als Versuchsträger eingegriffen werden muss, sind sogenannte Messhandschuhe, die als zweiter, innen hohler Flügel auf den Tragflügel des Flugzeuges aufgesteckt werden. Am ILR der TU Berlin wurde ein solcher Messhandschuh für das doppelsitzige Segelflugzeug vom Typ Grob G103 - TWIN II entwickelt und gebaut (Abb.  1) .

Abbildung 1: Segelflugzeug G103 TwinII mit Messhandschuh
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Abb.1 zeigt das Segelflugzeug mit dem Messhandschuh auf der rechten Tragfläche. Im Cockpit befinden sich die Stromversorgung sowie der Messrechner.  Die Messtechnik zur Ansteuerung der Sensoren und Aktuatoren sowie Messbrücken und Verstärker befinden sich in dem Geräteträger, der auf der Unterseite des Handschuhs montiert ist.

Der Messhandschuh kann für vielfältige Untersuchungen eingesetzt werden. Dazu gehören beispielsweise:

  1. Entwicklung und Erprobung von Sensoren, Sensorarrays, Aktuatoren und Messtechnik für Flugversuche
  2. Vergleichende und ergänzende Windkanaluntersuchungen
  3. Untersuchungen zur laminar-turbulenten Transition einschließlich der aktiven TS-Wellendämpfung
Abbildung 2: Druckverteilung am Handschuh aus Flugversuch, Windkanal und Xfoil Rechnung
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Abb. 2 zeigt die Druckverteilung für eine Geschwindigkeit von 23.6m/s auf der Oberseite des Handschuhs, die im Flug und im Windkanal gemessen wurde sowie eine mit „Xfoil“  berechnete Druckverteilung.  Die Druckverteilung und Geschwindigkeit sowie die Luftwerte wie Temperatur und absoluter Luftdruck werden simultan bei  jeder Messung erfasst und geben damit  Aufschluss über den jeweiligen Flugzustand (Grundströmungsbedingungen) und die Vergleichbarkeit verschiedener Messungen.

Neben der Erfassung des Grundströmungszustands wurden verschiedene Oberflächenmessverfahren auf dem Handschuh angewendet. So wurde beispielsweise mit einem PVDF-Sensorarray die Lage der Transition und auch die Anfachung der sog. Tollmien-Schlichting (TS) Wellen gemessen.  Ein Ergebnis ist in der Abb. 3 dargestellt.

Abbildung 3: a) Zeitsignale von in stromab angeordneten PVDF-Sensoren, b) RMS-Werte der stromab angeordneten PVDF-Sensoren
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In Abb.3a)  sind die Zeitsignale von stromab hintereinander liegenden PVDF-Sensoren exemplarisch dargestellt. Sie zeigen typische TS-Wellenpakete und das Anwachsen der Amplitude dieser TS-Wellen. In Abb.3b) sind die RMS-Werte aus diesen Zeitsignalen berechnet worden. Dabei spiegelt das Maximum der Kurvenverläufe die Lage der Transition wieder. In der laminaren Grenzschicht werden die TS-Wellen angefacht, d.h. die Geschwindigkeitsschwankungen bzw. Druckschwankungen wachsen an bis die Grenzschicht in einen stabileren Zustand, den turbulenten Grenzschichtzustand, übergeht und die Amplituden der Druckschwankungen wieder kleiner werden.

Aktive Dämpfung der Tollmien-Schlichting Wellen
Eine Möglichkeit die Transition zu verzögern, besteht in der Dämpfung  dieser  instabilen Tollmien-Schlichting Wellen. Das kann erreicht werden, wenn geeignete Störwellen mit geringer Amplitude in die Grenzschicht ein gekoppelt werden, die zu den natürlich in der Grenzschicht vorhandenden TS-Wellen um 180 Grad phasenversetzt sind. Dieses Prinzip wird auch in der aktiven Schallwellendämpfung eingesetzt und beruht auf dem Prinzip der Superposition.  In vielen Windkanalversuchen wurde nachgewiesen [siehe Publikationsliste, Baumann, Sturzebecher, Engert], dass mit diesem Verfahren der aktiven Dämpfung eine deutliche Verzögerung der Transition erreicht werden kann.

Inzwischen konnten TS-Wellen auch im Flugversuch gedämpft werden. Abbildung 4 zeigt exemplarisch Zeitsignale des Referenzsensors, des Aktuators und des Fehlersensors mit und ohne aktive TS-wellendämpfung. Die Referenz- und Fehlersensoren wurden durch Oberflächenhitzdrahtarrays realisiert. Der Aktuator war in dem Fall ein Membranaktuator.

Abbildung 4: Zeitsignale der Referenz- und Fehlersensoren ohne (links) und mit aktiver TS-Wellendämpfung (rechts)
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Werden die Spektren in Abbildung  5 von einem Referenz- und einem Fehlersensor mit und ohne Anregung verglichen, so ist eine Amplitudenreduktion von ca. 12 dB im Bereich der fundamentalen TS-Wellen zu sehen.  Das entspricht einer Reduktion der lokalen Amplitude von ca.75%. Die höherharmonischen Frequenzanteile sind aufgrund der Modenkopplung komplett gedämpft. Weitere Ergebnisse können den Publikationen entnommen werden.

Abbildung 5: Spektrum eines Referenzsensors (links) und Fehlersensors (rechts) mit und ohne aktiver TS-Wellendämpfung
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Literatur
Publikationen

Ansprechpartner

Dr.-Ing. Inken Peltzer