Experimentelle Untersuchungen aktiv ausgelenkter Oberflächen zur Reduktion der Wandreibung durch Transitionsverzögerung

„Alle umströmten Körper erfahren Widerstandskräfte. Um die Oberflächenreibung als dominierenden Anteil am Gesamtwiderstand zu minimieren, ist eine ausgedehnte laminare Umströmung erwünscht. Der laminar-turbulente Grenzschichtumschlag kann mit Hilfe aktiver und passiver Maßnahmen verzögert werden. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurde eine Methode zur aktiven Laminarisierung entwickelt und in Windkanalexperimenten untersucht. Die Transition an einem ungepfeilten Tragflügel wird hauptsächlich durch Tollmien-Schlichting (TS-) Wellen verursacht. Eine neuartiges Verfahren zur Dämpfung dieser konvektiven Instabilitäten wurde aufgebaut. Als natürliches Vorbild bei dieser Arbeit dienten die visko-elastischen Hauteigenschaften von Delfinen. Da allerdings kein für Luftströmungen geeignetes Material existiert, wurden diese Hauteigenschaften durch Echtzeit-gesteuerte Aktuatoren nachgebildet. Ausgehend von früheren Experimenten mit räumlich begrenzter Aktuation, wurde eine ausgedehnte „“aktive Wand““ als Teil der Flügeloberfläche entworfen. Der Aufbau ist in der Lage, mitbewegte Wanderwellen zu erzeugen. Unterschiedliche Anordnungen von Piezo-Membranaktuatoren wurden, in Kombination mit Arrays von hochempfindlichen Oberflächensensoren, eingesetzt. Dabei kam eine modellprädiktive Regelung zur Anwendung. Neben einer spannweitig differenzierten Aktuation wurde auch ein Aufbau mit geneigter Wandauslenkung untersucht. Bei einer Anströmgeschwindigkeit von u = 24,5 m/s konnte die laminar-turbulente Transition um 140 mm oder sieben mittlere TS-Wellenlängen verzögert werden. Zweidimensionale und schräglaufende Grenzschichtinstabilitäten wurden gedämpft. Zusätzlich dokumentiert diese Dissertation die Untersuchung des Strömungsfeldes stromab der Aktuation und eine Wirkungsgradbetrachtung der entwickelten Laminarisierungsmethode.“