TU Darmstadt / ULB / TUprints

Formation and Detachment of Leading Edge Vortices on Unsteady Airfoils

Widmann, Alexander Guido Martin :
Formation and Detachment of Leading Edge Vortices on Unsteady Airfoils.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2015)

[img]
Preview
Text
Thesis_korrigiert_final_3.pdf
Available under Creative Commons Attribution Non-commercial No-derivatives 3.0 de.

Download (9MB) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Formation and Detachment of Leading Edge Vortices on Unsteady Airfoils
Language: English
Abstract:

The unsteady velocity field around a pitching and plunging airfoil has been investigated whereby two different mechanisms leading to the detachment of leading edge vortices, which form at the suction side of the airfoil during a motion cycle, were of central interest. One of these mechanisms is analogous to the classical vortex shedding mechanisms behind bluff bodies. The second mechanism is independent of any geometrical length and occurs as a result of the viscous/inviscid interaction between the leading edge vortex and the boundary layer on the airfoil. The mass transferred from the shear layer at the leading edge for one motion period was hypothesized to determine, which detachment mechanism limits LEV growth. A non-dimensional parameter kappa, describing the covering ratio of the LEV and the airfoil chord, has been introduced to predict for which flow parameters a detachment between both mechanism occurs. A decomposition of kappa yields a dependency on the Reynolds number, the reduced frequency and the shear layer parameters. Time-resolved particle image velocimetry was used to obtain two-dimensional velocity fields and direct force measurements were performed. The flow fields were analyzed be means of vortex identification methods, topological arguments and the finite time Lyapunov-exponent. The results show, that the commonly used set of non-dimensional parameters is not sufficient to completely describe the vortex detachment behavior, since it neglects the shear layer properties. Instead, the conducted experiments reveal, that the leading edge shape determining the shear layer curvature has a recognizable impact an the lift and the circulation created by an unsteady profile. It was found, that a critical chord length exists, above which the bluff body detachment mechanism is replaced by a mechanisms related to viscous/inviscid interactions between secondary flow structures and the shear layer. The formation these secondary structures is found to be limited to a low Reynolds-number regime. While at low reduced frequencies,the airfoil chord length is characteristic for LEV detachment, the airfoil kinematics determine the instant of LEV detachment at higher reduced frequencies. The results show, that the LEV detachment behavior is much more complex than previously assumed. Its dependency might be reduced to the chord as a characteristic parameter in the typical flight regime with moderate reduced frequencies and sufficiently high Reynolds numbers, but involves many more parameters if the airfoil kinematics leave this typical flight regime.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die instationären Geschwindigkeitsfelder um ein aerodynamisches Profil in Hub- und Nickbwegegung wurden im Hinblick auf das Ablöseverhalten der Vorderkantenwirbel untersucht, die sich wärend eines Bewegungszyklus auf der Saugseite bilden. Dabei wurden zwei unterschiedliche Ablösemechanismen unterschieden, wobei sich der erste Mechanismus analog zur bekannten Wirbelablösung hinter stumpfen Körpern verhält. Der zweite Mechanismus ist das Resultat einer viskos/inviskosen Interaktion zwischen dem Vorderkantenwirbel und der Grenzschicht auf der Oberfläche des Profils und ist damit unabhänig von einer charakteristischen geometrischen Länge. Als bestimmend dafür, welcher Mechanismus zuerst greift, wurde die Menge Fluid angenommen, die während eines Bewegungsperiode des aerodynamischen Profils von der Scherschicht in den Vorderkantenwirbel gespeist wird. Ein dimensionsloser Parameter kappa wird eingeführt, der das Bedeckungsverhältnis der Profilsehne mit dem Vorderkantenwirbel beschreibt und vorhersagt, unter welchen Bedingungen eine Transition zwischen beiden Mechanismen eintritt. Eine Zerlegung von kappa offenbart seine direkte Abhängigkeit von der reduzierten Frequenz, der Reynolds-Zahl und den Scherschichteigenschaften. Zweidimensionale zeitaufgelöste Geschwindigkeitsfelder wurden mit Hilfe von Particle Image Velocimetry aufgenommen und direkte Kraftmessungen durchgeführt. Die Auswertung der Geschwindigkeitsfelder wurde anhand von Wirbelidenfikationsschemata, Strömungstopologie und der Berechnung des finite time Lyapunov-Exponenten vorgenommen. Die Ergebnisse zeigen, dass die im Allgemeinen genutzte Gruppe entdimensionierter Parameter nicht ausreicht, um das Wirbelablöseverhalten vollständig zu beschreiben, weil die Scherschichteigenschaften unberücksichtigt bleiben. Die Experimente lassen allerdings erkennen, dass die Scherschichtkrümmung, die von der Vorderkantenform bestimmt wird, einen messbaren Einfluss auf den Auftrieb und die Zirkulation hat, die von einem instationären Profil erzeugt werden. Es zeigte sich, dass eine kritische Sehnenlänge existiert, oberhalb derer der aus der Wirbelablösung stumpfer Körper bekannte Mechanismus mit dem viskos/inviskosen Mechanismus ersetzt wird. Dieser beruht auf der Bildung sekundärer Wirbelstrukturen, die sich nahe der Vorderkante bilden und mit der Scherschicht interagieren. Die Bildung dieser Strukturen ist auf den Bereich kleiner Reynolds-Zahlen beschränkt. Während bei kleinen reduzierten Frequenzen die Sehnenlänge des Prfoils noch charakteristisch für das Ablöseverhalten ist, bestimmt die Kinematik des Profils den Zeitpunkt der Wirbelablösung bei hohen reduzierten Frequenzen. Daraus lässt sich schliessen, dass das Ablöseverhalten eines Vorderkantenwirbels komplexer ist als bisher angenommen. Im Parameterbereich des typischen Schlagflugs (mit vergleichsweise hohen Reynolds-Zahlen und moderaten reduzierten Frequenzen) kann zwar die Sehnenlänge als problemcharakteristisch gelten, mit zunehmenden Abweichungen der Parameter von diesem Flugzustand treten mehr Einflussfaktoren auf.German
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Unsteady Aerodynamics, Vortex Dynamics, Vortex formation, Vortex detachment, shear layer, Boundary-layer eruption
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Instationäre Aerodynamik, Wirbeldynamik, Wirbelbildung, Wirbelablösung, Scherschicht, GrenzschichteruptionGerman
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Fluid Mechanics and Aerodynamics (SLA)
Date Deposited: 28 Aug 2015 05:55
Last Modified: 25 Sep 2015 07:12
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-46706
Referees: Tropea, Dr.-Ing. Cameron and David, Dr.-Ing. Laurent
Refereed: 15 July 2015
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4670
Export:
Actions (login required)
View Item View Item

Downloads

Downloads per month over past year