4.5 Aktuatoren

4.5.1 Heizaktuator

Eine Möglichkeit, stationäre Querströmungsinstabilitäten anzuregen, ist ei-ne stationäre spannweitig periodische Heizung der Modelloberfläche, wie Berger zeigen konnte [6]. Er verwendete ein Platinenätzverfahren, um eine Reihenschaltung von Leiterbahnen mit geringer Querschnittsfläche und Lei-terbahnen mit größerer Querschnittsfläche auf einer konventionellen Platine anzuordnen. Die Leiterbahnen mit relativ geringer Querschnittsfläche besit-zen einen größeren Ohmschen Widerstand als die Leiterbahnen mit größerer Querschnittsfläche und heizen sich somit bei elektrischem Stromfluss stärker auf. Durch eine spannweitig periodische Anordnung der so erzeugten lokalen Heizelemente konnte er eine spannweitig periodische stationäre Störung in die Strömung einbringen und somit stationäre Querströmungsinstabilitäten mit definierter Wellenlänge anregen. Die konventionelle Platine wurde von Berger beixc/c= 0.14in den bereits ebenen Teil der Modellplatte und nicht im Bereich der gekrümmten Nasenkontur eingelassen. Die Kupferleiterbahnen besaßen eine Höhe von18µmund stellten damit eine signifikante Rauigkeit dar.

Der Transitionsprozess ist gegenüber der Anregung stationärer QSI am emp-findlichsten in der Nähe des Neutralpunktes der anzuregenden Mode [20, 84]. Um eine möglichst effiziente Anregung der stationären Kontrollmode zu erreichen und eine möglichst lange Strecke der linearen Anfachung zu nutzen, sollte die Heizaktuierung im Rahmen dieser Arbeit möglichst nahe am Neutralpunkt dieser Mode möglich sein. Die Position des Neutralpunktes war aufgrund der LST-Untersuchungen zur Neuauslegung bekannt und hat den Wertxc/c= 0.05. Diese Position liegt damit im Bereich der gekrümmten Nasenkontur der Modellplatte. Daher wurde ein flexibles Platinensubstrat gewählt, auf dem die Leiterbahnen wie schon bei Berger mithilfe eines Ätzver-fahrens freigestellt wurden. Die Dicke des flexiblen Substrats betrug50µm, die Höhe der Kupferelemente auf dem Substrat hatte einen Wert von etwa 35µm. Im Folgenden wird für das flexible Substrat mit den Kupferelementen auch der Begriff Heizaktuatorfolie verwendet. Für den Heizaktuator wurde ein spezieller Naseneinsatz mit einer Tasche gefertigt, in der die Heizaktuatorfolie

4.5 Aktuatoren

Abbildung 4.5.1: Fotografie der auf dem Heizaktuator-Naseneinsatz fixierten Heizaktuatorfolie vor Auftragen des Epoxid-Füllmaterials

mithilfe doppelseitigen Klebebandes fixiert wurde. Die Tiefe der Tasche war dabei so gewählt, dass die Kupferelemente der eingeklebten Heizaktuator-folie bündig zur restlichen Oberfläche des Naseneinsatzes abschließen. Um an dem stromauf gelegenen Übergang der restlichen Oberfläche zur Heiz-aktuatorfolie eine Stufe und damit zusätzliche Störungen der Strömung zu vermeiden, wurde die Folie um die Nase geschlagen und bedeckte auch auf der Modellunterseite noch einen gewissen Bereich. Unter der Tasche für die Heizaktuatorfolie wurde ein Hohlraum für die elektrischen Verbindungen vorgesehen.

Als Material für diesen speziellen Naseneinsatz wurde „Necuron 702“-Epoxid-material verwendet, da es im Vergleich zu Aluminium eine deutlich geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist, aber mit 415 Keine hohe Wärmeformbestän-digkeitstemperatur gemäß ISO 75 besitzt. Eine geringe Wärmeleitfähigkeit ist von Vorteil, da für die künstliche Anregung von stationären QSI spann-weitig periodisch möglichst große Temperaturunterschiede erzeugt werden müssen, siehe Abschnitt 2.5.2. Der Heizaktuator-Naseneinsatz mit fixierter Heizaktuatorfolie ist als Fotografie in Abbildung 4.5.1 dargestellt.

Die Anordnung der Kupferflächen auf der Heizaktuatorfolie ist in Abbildung 4.5.2 dargestellt. Die vertikale Achse der Abbildung entspricht im fixierten Zustand auf dem Modell der Profiltiefenrichtung entlangxc. Die Heizelemente geringen Querschnitts und Leitelemente größeren Querschnitts sind in Reihe geschaltet. Eine solche Reihenschaltung wird im Folgenden als Heizreihe bezeichnet. Der spannweitige Abstand der Heizelemente entspricht der spann-weitigen Wellenlänge der anzuregenden stationären QSI,λ= 6 mm. Durch die Reihenschaltung ist es in dieser technischen Realisierung der Störungsan-regung nur möglich, Instabilitäten mit dieser festen Wellenlänge anzuregen.

Bei einzelner Kontaktierung der Heizelemente in einem zukünftigen

Heizak-4.5 Aktuatoren

Heizreihe 1 Heizreihe 2 Heizreihe 3 Heizreihe 4 Heizreihe 5 Heizreihe 6 Heizreihe 7 Heizreihe 8 0.05

0.058 0.066 0.074 0.083 0.091 0.100 0.109

Abbildung 4.5.2: Ausschnitt der Kupferflächen auf der Heizaktuatorfolie.

tuator wäre aber eine Anregung mit spannweitigen Wellenlängen möglich, die ganzzahligen Vielfachen des spannweitigen Abstands der Heizelemente ent-sprechen. Eine Heizreihe erstreckt sich über eine Spannweite von ca. 300 mm. Um den Einfluss der Aktuierungsposition auf die Effizienz der Anregung un-tersuchen zu können, wurden acht in Profiltiefenrichtung aufeinanderfolgende Heizreihen auf der Heizaktuatorfolie angeordnet. Der lokale Schiebewinkel φder Heizelemente richtet sich nach der Orientierung der Wirbelachse der Kontrollmode an der jeweiligen mittleren Profiltiefenposition. Diese Orientie-rung der Kontrollmoden-Wirbelachsen wurde aus Stabilitätsuntersuchungen gewonnen. Am jeweiligen spannweitigen Ende einer solchen Heizreihe wird ein elektrischer Kontakt in den darunter liegenden Hohlraum geführt, sodass ein elektrischer Strom mit konstanter LeistungP angelegt werden kann. Aus dem Hohlraum werden die elektrischen Anschlussleitungen durch Kanäle spannweitig aus dem Modell geführt, wo sich die Stromquelle befindet.

Die Breite der Heizelemente beträgt0.4 mm. Um den Einfluss der Heizele-mentlänge zu untersuchen, beträgt diese in vier der acht Heizreihen10 mm, und in den restlichen vier Heizreihen beträgt sie 5 mm. Die Reihen mit langen und kurzen Heizelementen sind in Profiltiefenrichtung abwechselnd angeordnet. Durch die zwei vorgesehenen unterschiedlichen Längen der Heiz-elemente ergibt sich für die jeweiligen Heizreihen zwangsweise eine leicht verschiedene Geometrie der Leitelemente. Daher sind in Abbildung 4.5.3

4.5 Aktuatoren

(a) Heizreihen 1,3,5 und 7

0.4 mm 10mm

(b) Heizreihen 2,4,6 und 8

5mm 0.4 mm

Abbildung 4.5.3: Die beiden unterschiedlichen verwendeten Heizreihen-Geome-trien (die mittlere Plattentiefenposition ist als gestrichelte Linie markiert)

Heizreihen-Nr. xc/c Länge [mm] φ[°]

1 0.050 10 −62.71

2 0.058 5 −60.50

3 0.066 10 −59.35

4 0.074 5 −57.82

5 0.083 10 −56.98

6 0.091 5 −55.81

7 0.100 10 −55.17

8 0.109 5 −54.26

Tabelle 4.5.1:Mittlere Profiltiefenpositionen, Länge und Winkel der Heizelemente der acht Heizreihen des Heizaktuators

die beiden Geometrien exemplarisch im Vergleich dargestellt. Die mittleren Profiltiefenpositionen der acht Heizreihen sind in Tabelle 4.5.1 angegeben. Die Position der Heizreihe 1 befindet sich damit besonders nah am Neutralpunkt der ausgewählten Kontrollmode. Die hier eingeführte Nummerierung der Heizreihen wird bei der Diskussion der Ergebnisse verwendet werden.

Die Kupferelemente stellen bereits im unbeheizten Zustand eine signifikante geometrische Rauigkeit dar. Im Profiltiefenbereich der Heizreihen ist die Grenzschicht zudem sehr rezeptiv für initiale Störungen. Es gilt soweit wie möglich zu verhindern, dass zusätzliche stationäre QSI durch die geometrische Rauigkeit angeregt werden. Dafür wird eine Abdeckschicht aus einem Füll-material auf die fixierte Abdeckfolie aufgetragen. Um dabei eine einheitliche Höhe zu definieren, sind in Bereichen, in denen weder Heiz- noch Leitelemente benötigt werden, ebenfalls Kupferelemente angeordnet. Zwischen ihnen sind Zwischenräume freigestellt, in die das Füllmaterial eindringt und somit die

4.5 Aktuatoren

hohe Wärmeleitfähigkeit der Kupferelemente regelmäßig durch seine niedri-gere Wärmeleitfähigkeit unterbricht. Um eine möglichst hohe spannweitige Periodizität der Wandtemperatur erzeugen zu können, sollte die spannweitige Wärmeleitfähigkeit so gering wie möglich sein.

Als Füllmaterial wurde in ersten Experimenten ein nach Herstellerangaben

„hochtemperaturfester“ Acryllack verwendet, welcher üblicherweise zur Lackie-rung von Öfen verwendet wird. In ersten Windkanalexperimenten wurde aber festgestellt, dass der Betrieb der Heizreihen die Oberflächenbeschaffenheit selbst veränderte. Nach dem Betrieb wurde bei Wiederholungsmessungen in der Grenzschicht stromab mit ausgeschaltetem Aktuator eine veränderte stationäre Störströmung beobachtet. Die Anforderungen an die Reproduzier-barkeit der Oberflächenbeschaffenheit als relevante Anregung stationärer QSI liegen dabei im Mikrometerbereich.

Für die im Rahmen dieser Arbeit beschriebenen Untersuchungen kam daher als Füllmaterial ein Epoxidharz namens „MP Advanced“ des Herstellers „R&G Faserverbundwerkstoffe“ zum Einsatz, welches nach dem Aushärten einen Duroplasten darstellt und sich in Vorversuchen als äußerst temperaturstabil erwiesen hatte. Zum Aushärten des Epoxidharzes wurde der gesamte Ak-tuatoreinsatz in einem Industrieofen erhitzt. Dabei wurde die Temperatur zunächst innerhalb von 30 Minuten auf373 Kangehoben. Diese Temperatur wurde für sieben Stunden konstant gehalten, um sie dann innerhalb von vier Stunden auf413 Kzu erhöhen. Diese Temperatur wurde wiederum 10 Stunden konstant gehalten, bevor die Ofentemperatur innerhalb von drei Stunden auf Raumtemperatur gesenkt wurde. Nach dem Aushärten wurde das Material manuell geschliffen, um die Amplitude der Periodizität der Modelloberflächengeometrie im für Anregung von stationären QSI relevanten Wellenzahlbereich zu reduzieren. Dabei blieben die Kupferelemente aber von einer ununterbrochenen Epoxidschicht bedeckt. Der gemittelte Mittenrau-wert dieser Oberfläche betrug finalR¯a = 2.5(9)µm. Die Oberfläche wird in Abschnitt 7.1 detailliert charakterisiert.

Im Dokument Beeinflussung des laminar-turbulenten Grenzschichtumschlags durch kontrollierte Anregung stationärer Querströmungsinstabilitäten (Seite 64-68)