Die verschiedenen Störungen im Überblick

Nachdem die unterschiedlichen beobachteten Störungen der Grenzschicht-strömung einzeln anhand experimenteller Beobachtungen diskutiert und mit theoretischen Erkenntnissen nachvollzogen wurden bzw. im Falle der Sekun-därinstabilitäten mit anderen experimentellen Ergebnissen verglichen wurden, soll nun ein Überblick über die unterschiedlichen Störanteile in quantitativer Relation zueinander vermittelt werden. Dazu werden in Abbildung 6.3.9 für jeden der diskutierten Störanteile repräsentative Amplituden und Effek-tivwerte abhängig von der Profiltiefexc dargestellt. Wie oben beschrieben, dominiert die stationäre QSI-Mode mit einer spannweitigen Wellenzahl von β = 624 m⁻¹ schon weit stromauf das stationäre Störspektrum im Expe-riment, siehe Abbildung 6.3.2(a). Ihre wandnormal maximal beobachtete Amplitude wurde bereits im Vergleich zur integralen Anfachung der Mode gemäß LST diskutiert. Zum Vergleich ist sie repräsentativ für stationäre Störungen wieder in Abbildung 6.3.9 dargestellt.

Bei der bisherigen Diskussion wurden besonders im Frequenzbereich100<

f <600 Hzinstationäre Fluktuationen mit laufenden QSI assoziiert. Daher ist in Abbildung 6.3.9 das wandnormale Maximum des spannweitig gemittelten Effektivwertesu_s,rms/q_e der Bandpass-gefilterten Geschwindigkeitsfluktua-tionen zwischen100< f <600 Hzals bilanzierendes Maß für die Amplitude laufender QSI entlang der Plattentiefe dargestellt. Sobald aber stationäre QSI

6.3 Transitionsszenario im neu ausgelegten Prinzipexperiment

mit signifikanter Amplitude auftreten, können die instationären Störungen nicht mehr rein als primäre QSI im Sinne linearer Stabilitätstheorie interpre-tiert werden, da nichtlineare Effekte bereits in signifikantem Maß auftreten, siehe auch Abschnitt 2.3.

Des Weiteren wurden besonders im Frequenzbereichf >1000 Hzdie instatio-nären Fluktuationen als Anzeichen von hochfrequenten Sekundärinstabilitäten und turbulenter Fluktuationen diskutiert. Primäre laufende QSI werden in diesem Frequenzbereich weder erwartet noch beobachtet. Der Effektivwert die-ser Fluktuationen ist in Abbildung 6.3.9 als spannweitiger und wandnormaler Maximalwert dargestellt. An der Profiltiefenpositionxc/c= 0.8ist der Effek-tivwert signifikant angehoben und es wurden spannweitig und wandnormal lokal sowohl eine Sekundärinstabilität vom Typ I als auch turbulenzähnliche Spektren identifiziert.

Man erkennt, dass der Effektivwert der Geschwindigkeitsschwankungen in dem Frequenzbereich, in dem laufende QSI erwartet und beobachtet werden, entlang fast der ganzen Plattentiefe geringer ist als die Amplitude stationärer QSI mit β= 624 m⁻¹. Ab der xc-Position des Maximums der dominanten stationären Mode beginnen lokal hochfrequente Schwankungsamplituden zu steigen, was repräsentiert, dass im lokalen Deformationsfeld der stationä-ren QSI erste Sekundärinstabilitäten auftreten. Zwischen x_c/c = 0.8 und x_c/c= 0.9steigen die Amplituden hochfrequenter Schwankungsanteile auf-grund ihres Wachstums rasch an. Wie in Abschnitt 2.3 beschrieben, folgt der laminar-turbulente Umschlag wegen der hohen Anfachungsraten der Sekun-därinstabilitäten immer kurz auf ihr erstes Auftreten. An einzelnen Positionen im Strömungsfeld wurden bereits Spektren instationärer Fluktuationen mit turbulenten Eigenschaften beobachtet. In diesem fortgeschrittenen Stadium der Transition weisen allerdings die einzelnen stationären Längswirbel eine sehr unterschiedliche Stärke auf, sodass der finale Umschlag zunächst stark lokalisiert auftritt. Mit dem Fortschritt des Umschlags auch an anderen Posi-tionen zerfallen die stationären Längswirbel und die spannweitige Periodizität der zeitlich gemittelten us-Komponente mit β= 624 m⁻¹ nimmt deutlich ab.

Auf Grundlage der vorgestellten Beobachtungen lässt sich schlussfolgern, dass es sich bei dem betrachteten Fall trotz des in Abschnitt 5.2.1 beschriebenen vergleichsweise hohen Turbulenzgrads des 1MG noch um einen durch statio-näre QSI dominierten Transitionsprozess handelt. Die dominante statiostatio-näre QSI mitβ = 624 m⁻¹ ist über eine Sekundärinstabilität vom Typ I für den laminar-turbulenten Umschlag hauptverantwortlich.

Kapitel 7

Beeinflussung durch

spannweitig periodische Wandheizung

Eines der Anregungskonzepte, das im Kontext der UFD-Methode zur Transi-tionsverzögerung im neu ausgelegten Prinzipexperiment untersucht wird, ist die Anregung durch spannweitig periodische Wandheizung. Eine Hypothese zum Anregungsmechanismus wurde in Abschnitt 2.5.2 und die technische Realisierung in Abschnitt 4.5.1 beschrieben. Der Heizaktuator ist in einen eigenen Naseneinsatz integriert, welcher in die Aufnahmemöglichkeit der Modellplatte eingesetzt wird. An diesem Naseneinsatz wurde eine besonde-re Oberflächenbeschaffenheit festgestellt, welche zunächst in Abschnitt 7.1 charakterisiert wird. Dies ist besonders daher relevant, da diese Oberfläche bereits ohne künstliche Heizanregung zu einer gegenüber dem Referenzfall veränderten Störströmung führt, welche in Abschnitt 7.2 beschrieben wird.

Die spannweitig periodische Wandheizung geht mit einer Anhebung der spannweitig gemittelten Wandtemperatur einher und erzeugt daher in der Grenzschicht neben der spannweitig periodischen auch eine spannweitig gemittelte Temperaturanhebung. Beides kann die temperatursensitive Hitz-drahtanemometrie beeinflussen und zudem auch die Stabilitätseigenschaften der Grenzschicht verändern. Daher werden diese unmittelbaren Einflüsse in

7.1 Oberflächenbeschaffenheit des Heizaktuators

Abschnitt 7.3 diskutiert. Anhand einer systematischen Variation der Heizleis-tung wird dann in Abschnitt 7.4 die künstliche Anregung stationärer QSI mit spannweitig periodischer Wandheizung nachgewiesen und quantifiziert.

Des Weiteren wird gezeigt, dass die künstliche stationäre Störungsanregung in ausreichendem Maß isoliert von weiterer Störungsanregung gelingt. Für ausgewählte Anregungsparameter wird dann in Abschnitt 7.5 das Transiti-onsszenario stromab der Anregung mitsamt der relevanten Störungsströmung charakterisiert. Dabei wird ein Erklärungsansatz dafür präsentiert, warum die künstliche Anregung wider Erwarten zu keiner Transitionsverzögerung führt.

7.1 Oberflächenbeschaffenheit des Heizaktuators

Die in Abschnitt 4.5.1 beschriebene konstruktive Realisierung der lokalen Wandheizung machte es nötig, die von den Kupferstrukturen verursach-te Rauigkeit durch ein Füllmaverursach-terial aus Epoxidharz auszugleichen. Dieses Epoxidharz musste bei Temperaturen ausgehärtet werden, die am oberen Rand der Temperaturbeständigkeit des Naseneinsatz-Hauptmaterials lagen (413 K). Im Anschluss wurde die Oberfläche per Hand geschliffen, um ein möglichst geringes Anregungsniveau durch Rauigkeiten zu erreichen. Da die spektrale Zusammensetzung dieser Rauigkeiten für die Anregung stationärer Querströmungsinstabilitäten im Fall ohne künstliche Heizaktuierung entschei-dend ist, soll dieses Spektrum zunächst näher untersucht werden. Dazu wurde das Koordinatenmessgerät „Hexagon Global Performance“ verwendet, welches in der Qualitätssicherung der Feinmechanikwerkstatt des DLR üblicherweise zur Überprüfung der Fertigungsgenauigkeit und Konturtreue von Windkanal-modellen eingesetzt wird. Ein kugelförmiger Tastkopf mit einem Durchmesser von1 mm wird in mechanischem Kontakt mit der zu vermessenden Ober-fläche entlang einer bestimmten Strecke geführt, wobei ein Signal über die Auslenkung des Tastkopfs und damit über die Oberflächenkontur gewonnen wird. Solche Tastmessungen sind rasterförmig möglich, wodurch eine hochauf-lösende Vermessung der Oberflächenkontur des Heizaktuator-Naseneinsatzes inklusive seiner Epoxidharzbeschichtung möglich ist. Dabei wurde die Ober-fläche, welche die Heizreihen bedeckt, über einem Plattentiefenbereich von

∆x_c = 50 mmmit 101 Messpunkten und einem spannweitigen Bereich von

∆y_c= 305 mmmit 607 Messpunkten vermessen (jeweils äquidistant verteilt).

Die aufgenommenen Daten ermöglichen es, das zweidimensionale Spektrum

7.1 Oberflächenbeschaffenheit des Heizaktuators

(a) (b)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0.11 0.12

1 2 3 4 5 6

7

8

ˆz[µm]

xc/c

Abbildung 7.1.1: (a) Amplitudezˆder in der Modelloberfläche des Heizaktuators enthaltenen Periodizität abhängig von den spannweitigen und profiltiefenorientier-ten Wellenzahlenβundα(b) Amplitudezˆder Periodizität mit der Aktuierungs-wellenlänge λ= 6 mm (β = 1047 m⁻¹) abhängig von der Profiltiefenkoordinate xc/c

der Oberflächenkontur zu berechnen und damit eine Information über das Anregungsspektrum für stationäre QSI zu erhalten. Dabei bedingen die verwendeten Schrittweiten und -anzahlen in Spannweiten- und Profiltiefen-richtung eine spektrale Auflösung von∆β= 20.6 m⁻¹und∆α= 124.4 m⁻¹, wie in Abschnitt 6.3.1 anhand des spannweitigen Spektrums von Geschwin-digkeitsvariationen diskutiert. Das resultierende zweidimensionale Spektrum der Rauigkeitenz(α, β)ˆ ist in Abbildung 7.1.1(a) als Isokonturendiagramm dargestellt. Dabei ist ein deutlicher Anteil beiβ = 1047 m⁻¹ zu erkennen, der über unterschiedlicheα-Werte verteilt auftritt. Diese spannweitige Wellenzahl entspricht der spannweitigen Wellenlänge der ausgewählten Kontrollmode λ= 6 mmund damit den spannweitigen Abständen der Heizelemente. Dies verdeutlicht, dass es nicht gelungen ist, die Rauigkeit der Kupferelemen-te durch die Epoxid-Deckschicht und das anschließende manuelle Schleifen komplett auszugleichen.

Des Weiteren sind signifikante Anteile bei kleineren spannweitigen Wellen-zahlenβ <600 m⁻¹, also größeren spannweitigen Wellenlängen, erkennbar.

Ein Erklärungsansatz hierfür ist, dass beim Aushärten des Epoxidharzes die unterschiedlichen beteiligten Materialien in den Schichten des Heizaktuators durch ihre unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten eine irreversible Welligkeit der Oberfläche induziert haben. Zu diesen Schichten gehören das