The subsonic near wake of bluff bodies

• Die subsonische Nachlaufströmung stumpfer Körper

Wolf, Claus Christian; Stumpf, Eike (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2014)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Kurzfassung

Die Nachlaufströmung von Raumtransportsystemen wird durch die komplexe Interaktion von Außenströmung, abgelöstem Rezirkulationsgebiet und Treibstrahl geprägt. Die damit verbundenen Phänomene können die Gesamtleistung und Sicherheit maßgeblich beeinflussen. Die Arbeit stellt experimentelle Windkanalmessungen an Modellgeometrien in Unterschallanströmung vor, und befasst sich besonders mit dem räumlich-zeitlichen Verhalten des Nachlaufes. Es wurden drei verschiedene Heckkonfigurationen auf unterschiedlichen Abstraktionsebenen betrachtet (stumpfes Heck', Düsenattrappe' und überexpandierter Überschallschubstrahl'). Die Untersuchungen kombinierten verschiedene Methoden der Strömungsfeld- und Oberflächendruckmessung. Das Rezirkulationsgebiet des stumpfen Hecks weist eine ausgeprägte Sensitivität gegenüber kleinen Anströmwinkeländerungen auf. Eine spektrale und modale Analyse der zeitabhängigen Fluktuationen belegt das Auftreten einer diskontinuierlichen und zufällig orientierten Wirbelablösung, deren relative Energie vergleichsweise gering ist. Die Düsenattrappe unterdrückt sowohl die Winkelabhängigkeit wie auch die periodische Ablösung infolge geometrischer Verblockung. Es wurde ein Wiederanlegen der Außenströmung an die Düsenkontur beobachtet, wobei hochfrequente Schwankungen aufgrund der Scherschicht des Hauptkörpers auftraten. Der Schubstrahl bewirkt infolge von Vermischungseffekten eine Verlagerung von Rezirkulation und Wiederanlegepunkt. Die Druckschwankungen im Heckbereich sind durch den Strahllärm stark erhöht, und es wurden ausgeprägte, durch die Zellstruktur des Strahls hervorgerufene akustische Moden nachgewiesen. Im Wesentlichen wurden zwei Schlussfolgerungen erarbeitet. Erstens unterliegen Strömungskörper mit stumpfem Heck in besonderem Maße dem Einfluss kleiner Anstell- oder Schiebewinkel, wodurch sich unter anderem ein Minimum des Heckwiderstandes bei symmetrischen Bedingungen erklärt. Werden unterschiedliche Studien betrachtet (z.B. experimentell und numerisch), so müssen die jeweiligen Anströmbedingungen sorgfältig verglichen werden, um die korrekten Schlüsse zu ziehen. Zweitens sind die Fluktuationen bei Konfigurationen mit Schubstrahl durch eine Vielzahl von Moden (Strahllärm, wiederanlegende Scherschicht, etc.) und nicht durch einen einzelnen Modus (z.B. Wirbelablösung) geprägt. Beim Entwurf zukünftiger Raumtransporter oder Maßnahmen zur Strömungsbeeinflussung muss daher eine breitbandige Umgebung beachtet werden.

Einrichtungen

• Lehrstuhl und Institut für Luft- und Raumfahrtsysteme (ILR) [415310]