Kontrolle von Drallströmungen

Darstellung des drei-dimensionalen Strömungsfeldes der global Mode m=1 im Nahfeld einse Drallstrahles mit aufplatzendem Wirbelkern. Die blaue Iso-Fläche representiert die azimuthale Wirbelstärke der phasen-gemittelten Strömung und verdeutlicht das anwachsen einer helikale Instabilität im Randbereich des Strahles. Stromlinien und LIC-Flächen basieren auf der zeitlich gemittelten Strömung und verdeutlichen den Drehsinn der Grundströmung und die Rückströmblase im Zentrum des Strahls. Die Darstellung entstand aus einer 3d-Rekonstruktion von einer Streo-PIV Messung bestehend aus 800 Schnappschüssen.

 

Schematische Darstellung der 3D Rekonstruktion. (a) Auffinden dominanter Frequenzen;(b) POD Analyse der PIV Daten zur Bestimmung der Phasenlage; (c) Identifizierung von Kohärenten Strukturen und Symmetrie-Ebenen; (d) Rekonstruktion der 3D Daten aus 2D Messungen

 

Oszillierendes Strömungsfeld der Globalen Mode m=1 berechnet aus linearer Theorie. Stabilitätsanalyse basiert auf der gemessenen mittleren Strömung eines Drallstrahls mit aufplatzendem Wirbelkern.

 

Querschnitt der angeregten Strömung durch die Rückströmblase eines Drallstrahls mit aufplatzendem Wirbelkerns (x/D=0.57, S=1.22). Konturen zeigen die Phasen-gemittelte axiale Geschwindigkeit. Stromlinien zeigen Wirbel die sich in der äußeren Scherschicht aufrollen. Der schwarze Kreis deutet den Düsendurchmesser an. Alle moden drehen sich mit der Grundströmung.

 

Drall wird durch zwei individuell gesteuerte Volumenströme erzeugt die in der Drallkammer vereint werden. Die Drallzahl kann stufenlos von S=0 bis S=1.5 geregelt werden für Reynoldszahlen Re=0 bis Re=100.000

 

Die Untersuchung von freien Drallströmungen ist von großer Bedeutung für Industrielle Anwendungen als auch für die Grundlagenforschung im Bereich hoch turbulenter 3-dimensionaler Strömungen.  Das turbulente Rezirkulationsgebiet, welches durch das Aufplatzen des Wirbelkerns entsteht, wird zur Flammenstabilisierung in Drallbrennern genutzt.  Des Weiteren neigen die Randwirbel von Deltaflügeln bei hohem Anstellwinkel aufzuplatzen was ein abruptes Absinken des Auftriebs zur Folge hat. Die Kontrolle des Wirbelaufplatzens wird daher von der Luft- und Raumfahrtindustrie sowie Turbinenherstellern gefordert.

Dieses von der DFG geförderte Projekt konzentriert sich auf die grundlegenden Mechanismen von Drallströmungen. Die Randbedingungen sind stark vereinfacht, um einen Vergleich mit theoretischen und numerischen Ergebnissen zu ermöglichen. Durch geeignete akustische Anregung werden die dominierenden Instabilitäten untersucht wobei der natürliche Charakter der Strömung nicht gestört wird (low amplitude zero-mass-flux sinusoidal excitation). Stereo-PIV in Kombination mit post-processing Methoden wie Proper Orthogonal Decomposition und Pattern-Recognition sind die Hauptwerkzeuge um die dominanten kohärenten Strukturen und deren Dynamik aus der hoch turbulenten Strömung zu extrahieren. Das Prinzip der Kontrolle ist die Anregung azimuthaler Wellen am Düsenaustritt. Aus Voruntersuchungen und theoretischen Betrachtungen geht hervor, dass Drallströmungen von diesen helikalen Moden dominiert werden.     

Das Projekt ist eine Kooperation mit dem Aerodynamic Laboratory von Prof. Israel Wygnanski, University of Arizona. Prof. Wygnanski stellt seine Expertise zu den Bereichen der aktiven Strömungskontrolle und der Stabilitätstheorie freier Scherschichten sowie weitere Versuchsaufbauten bereit.

Projektleitung: Kilian Oberleithner