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Natural Laminar Flow Airfoil Behavior in Cruise Flight through Atmospheric Turbulence

Reeh, Andreas D. :
Natural Laminar Flow Airfoil Behavior in Cruise Flight through Atmospheric Turbulence.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2014)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Natural Laminar Flow Airfoil Behavior in Cruise Flight through Atmospheric Turbulence
Language: English
Abstract:

Atmospheric turbulence is encountered frequently in flight. It creates oncoming flow disturbances for aircraft passing through turbulent zones. For natural laminar flow airfoils such conditions are potentially detrimental since their goal of maximizing laminar flow may be counteracted by increased disturbance levels. In this study the flow behavior of a natural laminar flow wing section is investigated in gliding flight experiments under calm and light to moderately turbulent conditions.

A comprehensive measurement platform is integrated into a motorized glider to obtain insights into the flow processes acting on a laminar wing glove in cruise flight. Simultaneous measurements of characteristic airfoil quantities enable important correlations with the oncoming flow disturbances. To develop a comprehensive understanding for flight through turbulence, boundary-layer transition is investigated in detail under calm conditions. Differences of the transition behavior between the upper and the lower side of the airfoil are demonstrated. New insight into the weakly nonlinear transition stage in a low disturbance environment is presented.

Due to the random nature of atmospheric turbulence, characteristic results under moderately turbulent conditions are presented as case studies. This enables a complete examination of the time-varying boundary conditions, the inviscid flow effects and the boundary-layer response to the turbulent forcing. It is shown that all these processes interact with each other. Furthermore, it is demonstrated that the unsteadiness of the oncoming flow assumes an important role in the laminar-turbulent transition process of the airfoil boundary layer. On the lower side of the airfoil significant and rapid upstream fluctuations of transition are verified under moderately turbulent conditions. It is shown that these fluctuations are driven by the time-varying pressure gradient and that transition is initiated by Tollmien-Schlichting waves. Indications for a premature transition behavior under such unsteady conditions are presented, which can only partially be explained by unsteady distortions of the boundary layer. The experimental observations are complemented by numerical investigations employing unsteady panel and boundary-layer methods as well as quasi-steady linear stability theory.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Atmosphärische Turbulenz macht sich im Flug als Störung der Anströmung bemerkbar. Solche Bedingungen können die Leistung von Laminarprofilen beeinträchtigen, deren Auslegungsziel eine möglichst weit laminar gehaltene Grenzschicht ist. Dieses Ziel wird potentiell durch das erhöhte Störungsniveau beeinträchtigt. In dieser Arbeit wird daher das Strömungsverhalten eines Laminarprofils im Gleitflug unter ruhigen und leicht bis moderat turbulenten Bedingungen untersucht. Eine umfangreiche Messplattform, integriert in einen Motorsegler, wird genutzt, um Einblicke in die Strömungsprozesse an einem Flügelhandschuh unter Reiseflugbedingungen zu gewinnen. Simultane Messungen der charakteristischen aerodynamischen Profilgrößen ermöglichen die Korrelation mit den Störungen in der Anströmung. Um ein besseres Verständnis für den Flug durch Turbulenz zu entwickeln, wird die Grenzschichttransition zunächst detailliert unter ruhigen Bedingungen untersucht. Dabei zeigen sich Unterschiede im Transitionsverhalten zwischen der Ober- und der Unterseite des Profils. Neue Erkenntnisse über die schwach nichtlineare Phase der Grenzschichttransition in einer störungsarmen Umgebung werden vorgestellt. Aufgrund der zufälligen Natur atmosphärischer Turbulenz erfolgt die Betrachtung der Ergebnisse moderat turbulenter Bedingungen als Fallstudien. Dies ermöglicht eine umfassende Untersuchung zeitabhängiger Randbedingungen, reibungsfreier Profileffekte und des Antwortverhaltens der Grenzschicht auf die turbulente Anregung. Die Interaktion all dieser Effekte wird ersichtlich. Die wichtige Rolle der Instationarität der Anströmung im Transitionsprozess der Profilgrenzschicht wird demonstriert. Unter moderat turbulenten Bedingungen werden starke, kurzfristige Fluktuationen der Transition entgegen der Hauptströmungsrichtung auf der Profilunterseite detektiert. Es zeigt sich, dass die Transition durch Tollmien-Schlichting Wellen eingeleitet wird. Daneben werden Anzeichen für eine frühzeitige Transition erfasst, die nur teilweise auf die instationären Veränderungen der Grenzschichtprofile zurückzuführen sind. Die experimentellen Ergebnisse werden ergänzt durch numerische Untersuchungen unter Verwendung instationärer Panel- und Grenzschichtmethoden, sowie der linearen Stabilitätstheorie.German
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: NLF, airfoil, flight experiment, boundary layer, transition, receptivity, laminar flow, unsteady airfoil, atmospheric turbulence, linear stability theory, nonlinear wave interactions
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
NLF, Profil, Laminarprofil, Flugexperiment, Grenzschicht, laminar-turbulenter Umschlag, Transition, Rezeptivität, laminare Strömung, instationäre Profilumströmung, atmosphärische Turbulenz, lineare Stabilitätstheorie, Nichtlineare WelleninteraktionGerman
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Fluid Mechanics and Aerodynamics (SLA)
Date Deposited: 19 Aug 2014 13:31
Last Modified: 18 Aug 2016 09:58
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-41230
Referees: Tropea, Prof. Cameron and White, Prof. Edward B.
Refereed: 25 June 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4123
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