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TU Berlin

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Aktive Strömungskontrolle

Von der Delfinhaut lernen: Widerstandsreduktion durch aktive Laminarhaltung mit Hilfe aktiver Wanderwellen

1. Ziel

Delfine erzielen erstaunliche Schwimmleistungen, deren Ursache in den elastischen Dämpfungseigenschaften ihrer Haut zu finden ist. Diese speziellen Hauteigen-schaften, die zu einer signifikanten Verringerung des Strömungswiderstandes gegenüber einer vollturbulenten Umströmung verhelfen, sollen auf einen Tragflügel übertragen werden. Das Ziel ist die Reduzierung des Reibungswiderstandes durch Verlängerung der widerstandsarmen laminaren Laufstrecke mit Hilfe von aktiver Grenzschichtbeeinflussung. Bereits eine moderate Verschiebung des laminar-turbulenten Umschlagsbereiches in Richtung Flügelhinterkante verspricht eine deutliche Verbesserung hinsichtlich der Flugleistungen, Wirtschaftlichkeit und Umweltverträglichkeit von Luftfahrzeugen, da der Transitionsprozess mit einem starken Anstieg der Wandreibung einhergeht. Im Gegensatz zu passiven Maß-nahmen, wie Formgebung und Oberflächengüte des Tragflügels oder einer stationären Beeinflussung des mittleren Geschwindigkeitsprofils durch Grenzschichtabsaugung, soll bei diesen Experimenten die Verzögerung des Umschlages durch Dämpfung der transitionsverursachenden Tollmien-Schlichting-Instabilitäten (TS-Wellen) mittels aktiv geregelter Gegenwellen erreicht werden. Die natürlichen Störungen werden dabei durch einen Referenzsensor erfasst und stromab mit einer daraus berechneten Gegenwelle überlagert, so dass am Fehlersensor hinter dem Aktuator nur noch minimale Störungen verbleiben. Die Grenzschicht bleibt somit länger laminar und weist bis zur erneuten Wiederanfachung der Störungen  eine geringe Wandreibung auf.

Nach dem Vorbild der flächigen Dämpfungseigenschaften der Delfinhaut sollen diese Gegenwellen die Strömung nicht nur an einem diskreten Ort aktiv beeinflussen, sondern  in Form von konvektiven Wanderwellen durch eine räumlich verteilte Aktuation über einen weiten Bereich der Flügeloberfläche („aktive Wand“) in die Grenzschicht eingebracht werden (Abb.1).

Abb. 1: Prinzip der aktiven Dämpfung von TS-Wellen durch flächige Aktuation
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2. Experimenteller Aufbau & Sensorik

Die Versuche werden am Grenzschichtwindkanal des ILR bei einer Reynoldszahl von Rex≈0,8x106 durchgeführt. Als Versuchsträger kommt ein Flügelsegment mit einem wechselbaren Modul für verschiedene Sensor-Aktuator-Systeme zum Einsatz (Abb. 2).

Abb. 2 Versuchsträger
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Die anwachsenden TS-Wellen in der transitionalen Grenzschicht drücken sich in kleinsten Schwankungen des lokalen Druckes bzw. der Strömungsgeschwindigkeit an der Flügeloberfläche aus. Daher sind hochempfindliche Oberflächensensoren eine Voraussetzung zur Erfassung dieser Strömungsinstabilitäten. Mit einem Array von Oberflächenhitzdrähten, das direkt auf die Flügeloberfläche appliziert wird, können selbst kleinste Geschwindigkeitsfluktuationen in Wandnähe zeitlich und räumlich hochauflösend gemessen werden ohne dabei störende Wandrauigkeiten zu erzeugen (Abb. 3). Siehe auch hier.

 

Abb. 3: Oberflächenhitzdraht, a) Schnitt, b) Mikroskopische Aufnahme
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3. Aktuatorik

Zur Generierung der für die Dämpfung von TS-Instabilitäten notwendigen Gegenwellen werden unterschiedliche Grenzschichtaktuatoren, teilweise in Kooperation mit Projektpartnern, entwickelt. Neben Schlitzaktuatoren kommen magnetisch oder piezo-elektrisch betriebene Membranaktuatoren zum Einsatz. Dabei wird eine flexible Membran als Teil der Flügeloberfläche ausgelenkt. Dies ermöglicht ein ‚weicheres’ Einkoppeln der Gegenwelle in die Grenzschicht, weil die Form der ausgelenkten Membran besser zur mittleren Wellenlänge der TS-Instabilitäten passt. Anders als bei Anwendungen zur Ablösekontrolle, wo bei vergleichsweise geringen Frequenzen maximale Aktuatoramplituden gefordert sind, ist für die aktive Grenzschichtbeeinflussung eine Aktuatorcharakteristik mit kleiner Ansprechzeit und ausreichender Amplitude im instabilen Frequenzband der TS-Wellen (abhängig  von der Reynoldszahl) nötig. Ein Schnitt durch einen mit Magnetspulen betrieben Membranaktuator ist in Abb. 4 zu sehen. Mit diesem Aktuator für lokal fixierte Aktuation konnten Regelalgorithmen getestet und die aktive TS-Dämpfung im Flugversuch demonstriert werden.

Abb. 4: mit Magnetspulen angetriebener Membranaktuator (1: Grundplatte, 2: Sockel für Membranklemmung, 3: Rahmen, 4: Spulenhalterung, 5: Höhenjusteriung, 6: Spule, 7: GfK-Stößel)
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Der nächste Entwicklungsschritt sind Aktuatoren, die simultan an mehreren Stellen der Flügeloberfläche eine Gegenwelle generieren können. Abbildung 5  zeigt eine aktive Wand, die aus fünf gestaffelten Einzelsegmenten besteht. Dieser Aktuator wurde auf Basis von MEMS-Technologie in Kooperation mit dem Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) der Universität Freiburg entwickelt. Die Grundlage bildet eine wandbündige Silikonmembran, die über fünf in Strömungsrichtung hintereinander angeordnete Stößel mit Piezo-Elementen verbunden ist. Diese lenken die Membran aus und erzeugen in der Strömung eine konvektive Wanderwelle mit fünf räumlichen Stützstellen.

 

Abb.5: Aktive Wand für die flächige Dämpfung von TS-Wellen,
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Abb. 6: Versuchsflügel mit integrierter aktiver Wand & Oberflächenhitzdraht-Array
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Mit diesem spannweitig phasenstarren Aufbau lassen sich zweidimensionale TS-Wellen im linearen Anfachungsstadium dämpfen (Abb. 6). Weitere Konfigurationen mit schräger bzw. spannweitig differenzierter Auslenkung werden untersucht.

4. Messtechnik & Regelung

Für die Signalerfassung steht eine Messkette aus Multikanal-CTAs mit integriertem Signalverstärker und –filter sowie einem leistungsfähigen digitalen Signalprozessor für die Echtzeit-Regelung zur Verfügung. Dieses System wird mit Hilfe von Simulink-Modellen an das jeweilige Experiment angepasst. Die zur Erzeugung der passenden Gegenwelle verwendeten Model Predictive Control Algorithmen werden am Fachgebiet für Mess- und Regelungstechnik (MRT) der TU Berlin entwickelt. Für die Ansteuerung der aktiven Wand stehen Hochspannungsverstärker  mit insgesamt 18 Kanälen zur Verfügung.

5. Ergebnisse

Mit Hilfe von Oberflächenhitzdrähten sowie traversierbaren Einzelhitzdrahtsonden wurde die transitionale Grenzschicht der Grundströmung um den Tragflügel untersucht und dabei Amplitude, Wellenlänge, Frequenzband und Phase der natürlich auftretenden Tollmien-Schlichting-Instabilitäten bestimmt. Die Geschwindigkeitsfluktuationen im Mittelschnitt des Flügels sind in Abb. 7 über der Strömungskoordinate aufgetragen. Zwischen der unbeeinflussten Grenzschicht in Abb. 7a, (bzw. schwarze Kurven in Abb.7c) und dem Fall mit aktiver Dämpfung (Abb7b bzw. rote Kurven in Abb. 7c) ist ein klarer Unterschied erkennbar.

Abb. 7: Geschwindigkeitsschwankungen im Mittelschnitt des Flügels mit/ohne TS-Dämpfung, a) Aktuator deaktiviert, b) Aktuator aktiviert, c) Anfachungsprofile
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Abb. 8: Zeitschriebe der Oberflächensensoren
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Ein ähnliches Bild liefern die in Abb. 8 dargestellten Zeitschriebe von 20 Oberflächensensoren vor bzw. stromab der aktiven Wand. Die Reduktion der TS-Amplituden bei eingeschaltetem Aktuator ist deutlich erkennbar.

Abbildung 9b) zeigt exemplarisch die Leistungsdichtespektren des Fehlersensors stromab des Aktuators mit und ohne aktive TS-Wellendämpfung. Während im fundamentalen Frequenzband der TS-Wellen zwischen 300 und 600 Hz eine mittlere Dämpfung um 16,7dB erzielt wird, sind Wellenanteile aus dem höherharmonischen instabilen Bereich um 1kHz komplett eliminiert. Die Ursache illustriert Abbildung 9a). Hier sind die RMS-Werte der in Strömungsrichtung hintereinander liegenden Sensoren aufgetragen. Durch die aktive Kontrolle werden stromab der Aktuatorposition bei  x=740mm die lokalen Amplituden der TS-Wellen um 85% reduziert, d.h. der gesamte Anfachungsvorgang wird in Richtung Flügelhinterkante verschoben. Somit verschwinden bei aktivierter Dämpfung auch die höherharmonischen Anteile im Spektrum des Fehlersensors.

 

Abb. 9: Sensorsignale bei aktiver TS-Dämpfung, a) Anfachung der TS-Wellen in Strömungsrichtung; b) Powerspektrum des Fehlersensors
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Auslenkung der Membran während der aktiven Dämpfung natürlicher TS-Wellen
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Abbildung 10 zeigt die mit einem Laser-Vibrometer während des Windkanalexperiments gemessene Membranauslenkung der aktiven Wand zu fünf Zeitpunkten. Die mitbewegte Gegenwelle hat in Strömungsrichtung die Ausdehnung einer mittleren TS-Wellenlänge. Ihre Amplitude beträgt 40mmpp, was etwa einem Prozent der lokalen Grenzschichtdicke entspricht.

Die Arbeiten werden im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms „Strömungsbeeinflussung in der Natur und Technik“ (SPP 1207) gefördert.

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