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Investigation and Control of Unsteady Flow Conditions on Airfoils

Kissing, Johannes Maximillian Emanuel (2020):
Investigation and Control of Unsteady Flow Conditions on Airfoils. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.25534/tuprints-00014201,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Investigation and Control of Unsteady Flow Conditions on Airfoils
Language: English
Abstract:

In this thesis, efficiency enhancement approaches for two unsteady aerodynamic scenarios are considered to provide the basis for future improvements.

The first scenario addresses transient inflow conditions on a stationary airfoil, representative of gust loads on wind turbine blades or bridge decks. It aims at the experimental validation of aerodynamic transfer functions, known as the Sears and Atassi formulations, which allow for a prediction of unsteady loads. Both functions are found to be capable of load prediction if inflow assumptions are carefully reproduced. It is also shown that no fundamental difference between both functions exists, if they are normalized appropriately. In order to simplify the generation of periodic inflow conditions in a wind tunnel, a gust generation approach utilizing a single pitching and plunging airfoil is derived and experimentally validated. It is demonstrated that high frequency and amplitude gusts can be generated with the aid of optimized airfoil kinematics, derived from the Theodorsen theory, using a single airfoil.

The second scenario considers steady inflow conditions on a pitching and plunging airfoil in the deep dynamic stall regime where a leading edge vortex (LEV) occurs, representative for beating wings of Micro Air Vehicles (MAVs). The detachment process of the vortex is investigated to provide the basis for consecutive flow control efforts. A model that allows for the prediction of the occurrence of secondary structures, which can initiate the vortex detachment, is derived and validated using facilities with complementary parameter spaces due to different working media. In order to prolong the LEV growth phase on the airfoil and attain higher overall lift, a DBD plasma actuator is used to manipulate the flow field at topologically critical locations on different airfoils. The growth phase of the vortex is prolonged, which indicates an enhancement of the induced lift. Considerations regarding the control authority of the actuator are used to derive and test the minimum effective actuation period, which is sought to demonstrate the potential for future enhancements of the control concept.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Diese Arbeit befasst sich mit Ansätzen zur Effizienzsteigerung in zwei instationären aerodynamischen Szenarien.

Fluktuierende Anströmbedingungen an einem stationären Flügelprofil stellen das erste untersuchte Szenario dar, welches repräsentativ für Böenlasten an Windturbinenblättern oder Brückenkörpern ist. Hierbei besteht das Ziel in der Validierung aerodynamischer Übertragungsfunktionen nach Sears und Atassi, welche die Vorhersage instationärer, aerodynamischer Lasten erlauben. Es wird gezeigt, dass beide Funktionen unter der Berücksichtung und sorgsamen Reproduktion der vorhergesehenen Einströmbedingungen in der Lage sind, instationäre, aerodynamische Lasten vorherzusagen. Zudem kann nachgewiesen werden, dass unter Einbezug einer Normalisierung keine fundamentalen Unterschiede zwischen beiden Formulierungen existieren. Um die Generation von fluktuierenden Einströmbedingungen in einem Windkanal zu simplifizieren wird ein Ansatz, basierend auf der Verwendung eines einzelnen Flügelprofils, hergeleitet und experimentell validiert. Dabei kommen optimierte Bewegungsprofile zum Einsatz, welche aus der Theodorsen-Theorie hergeleitet werden. Im Vergleich zu anderen Böengeneratoren ermöglicht der vorgestellte Ansatz Böen großer Amplitude und Frequenz unter Verwendung eines einzelnen Flügelprofils zu produzieren.

Das zweite aerodynamische Szenario befasst sich mit der Strömung um Flügelprofile, welche kombinierte Hub- und Nickbewegungen in stationärer Anströmung ausführen. Diese Betrachtung erfolgt im Bereich des tiefen dynamischen Strömungsabrisses indem ein Vorderkantenwirbel das Strömungsfeld dominiert. Die gewählten Bedingungen sind beispielsweise repräsentativ für schlagende Flügel eines Mikro-Luftfahrzeugs. Zunächst wird das Ablöseverhalten des Vorderkantenwirbels untersucht, um die Grundlage für spätere Strömungsbeeinflussungen zur Verfügung zu stellen. Ein Modell zur Vorhersage des Aufkommens von Sekundärstrukturen, welche das Ablösen des Wirbels initiieren können, wird mit Hilfe zweier Versuchseinrichtungen unterschiedlicher Arbeitsmedien hergeleitet und validiert. Um die Wachstumsphase des Vorderkantenwirbels und damit die Phase erhöhten Auftriebs zu verlängern, werden dielektrische Barriereentladungs-Plasma-Aktuatoren zur Manipulation des Strömungsfeldes an topologisch kritischen Stellen auf verschiedenen Flügelprofilen eingesetzt. Die Wachstumsphase des Vorderkantenwirbels wird signifikant verlängert, was auf einen erhöhten Auftrieb am Flügelprofil schließen lässt. Untersuchungen der Wirkreichweite des Plasma-Aktuators werden genutzt, um die minimale effektive Aktuierungsperiode herzuleiten und zu testen. Dieses Vorgehen dient der Demonstration des Potentials zukünftiger Anstrengungen zur Effizienzsteigerung.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: VI, 242 Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Fluid Mechanics and Aerodynamics (SLA)
Date Deposited: 08 Dec 2020 09:32
Last Modified: 08 Dec 2020 09:47
DOI: 10.25534/tuprints-00014201
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-142017
Referees: Tropea, Prof. Dr. Cameron and David, Prof. Dr. Laurant
Refereed: 6 October 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/14201
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