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Airfoil Boundary-Layer Control through Pulsating Jets

Pereira Coppieters, Álvaro :
Airfoil Boundary-Layer Control through Pulsating Jets.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2011)

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Dissertation by AlvaroPereira Coppieters - PDF
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Airfoil Boundary-Layer Control through Pulsating Jets
Language: English
Abstract:

Low Reynolds number flows prevail in turbomachinery applications like first stages of axial compressors, first stages of high pressure turbines and low pressure turbines. However, operation within low Reynolds number range yields to highly stable laminar boundary layers, which are more susceptible to separation than transitional or turbulent boundary layers. This statement corroborates the significance of research on active control at low Reynolds numbers flows. The present work continues the efforts made at the Technische Universitaet Darmstadt related to boundary layer control, such as the experimental work from Werden (1998) and the numerical simulations from Wang (2003). In the present work an open-loop scheme is implemented in an airfoil to control leading-edge stall at low Reynolds number. A symmetric NACA 633 − 018 is used to simulate separation over a blade operating at low Reynolds number, as adopted by Wang. Reynolds number is kept at 90.000 - representative of a real machine - while the pressure gradient is varied as the angle of attack is changed. Both steady and unsteady (pulsated) air injection are implemented to study the influence of the control parameters and to figure out how to reduce the necessary energy expenditure while keeping the flow attached under conditions where the flow would be otherwise detached. Also, it is sought to which extend such scheme can be effective. The interaction between the pulsating jets, the boundary layer and the separated flow is verified using three experimental methods: pressure taps, particle image velocimetry (PIV) and hot-wire anemometry. The main effort was to characterize the development of the boundary layer during different control conditions. The interaction between separated boundary layer, injection and main flow is presented and discussed. The results shall be used to evaluate the feasibility of such an active control design and to supply information to further research in the subject.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Manche Turbomaschinen wie z.B. Hoch- und Nieder-druckturbinen oder die ersten Stufen von Verdichtern werden bei kleinen Reynolds-Zahlen betrieben. Innerhalb dieses Bereichs herrschen stabile laminare Grenzschichten vor, die anfälliger für eine Ablösung sind als Turbulente oder Grenzschichten im Transitionsbereich. Aufgrund der vielfältigen Anwendungsgebiete besteht eine Notwendigkeit weiterer Untersuchungen von aktiven Systemen zur Regelung bei kleinen Reynolds-Zahlen. Die vorliegende Arbeit setzt die an der Technischen Universität Darmstadt durchgeführte experimentelle Arbeit von Werden (1998) beziehungsweise die numerische Arbeit von Wang (2003) in Bezug auf Grenzschichtbeeinflussung fort. Hierbei wurde ein offener Steuerkreis in einem zweidimensionalen Profil eingebaut, um die Ablösung an der Vorderkante zu kontrollieren. Dabei kam ein symmetrisches NACA 633 – 018 Profil zur Anwendung, um die Ablösung an einem Schaufelprofil bei kleiner Reynolds-Zahl nachzubilden. In den Experimenten wurde die Reynolds-Zahl analog zu existierenden Maschinen in der Praxis konstant bei 90 000 gehalten, während der Druckgradient im Verhältnis zum Anstellwinkel variiert wurde. Dabei kam sowohl eine konstante als auch eine instationäre Eindüsung von Luft zur Anwendung, um den Einfluss der Steuerparameter zu erfassen. Es wurde versucht unter minimalem Energieaufwand eine Grenzschicht zu erzielen, bei der unter normalen Umständen bereits Ablösungen auftreten würden. Zudem wurde die erreichbare Effizienz eines solchen aktiven Systems untersucht. Die Interaktion zwischen den pulsierenden Strahlen, der Grenzschicht und der abgelösten Strömung wurde durch drei experimentelle Messmethoden erfasst: „Particle Image Velocimetry“ (PIV), Hitzdraht-Anemometrie und Druckverteilungsmessung. Das primäre Ziel lag dabei auf einer Charakterisierung der Grenzschicht bei unterschiedlichen Regler-Einstellungen. Die Interaktion zwischen abgelöster Grenzschicht, Eindüsung und Hauptströmung wird aufgezeigt und die Ergebnisse diskutiert. Die Ergebnisse dienen dem Ziel einer Abschätzung der Machbarkeit eines solchen Systems, sowie für die Bereitstellung einer Datenbasis für zukünftige Projekte.German
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Sonstige / Externe
Date Deposited: 08 Apr 2011 09:06
Last Modified: 07 Dec 2012 11:59
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-25433
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Stoffel, Dr.-Ing Bernd and Tropea, Dr.-Ing ha Cameron
Refereed: 16 June 2010
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2543
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