Experiments on laminar separation bubbles under inflow conditions of atmospheric turbulence

Abstract

Natural laminar flow (NLF) airfoils have been largely responsible for the performance advances of today's general aviation aircraft and wind turbines. In the design of these airfoils, atmospheric turbulence has received little attention, although specific atmospheric conditions are often present during their operation. One reason for this is that the effect of atmospheric turbulence on the boundary layer, and in particular on laminar separation bubbles (LSB), has only been possible to be estimated from experience. This study addresses this issue based on the example of sailplanes. In the first part of this work, the inflow conditions during typical cross-country flights of sailplanes are studied. Avoiding laminar separation bubbles at high lift coefficients is one of the challenges in the design of NLF airfoils. Therefore, the focus is on circling in thermals and thus on the convective boundary layer of the atmosphere. Continuous measurements of free-stream turbulent velocity fluctuations have been made during cross-country flights, with resolutions well into the dissipation range of the turbulence spectrum. The second part studies the effect of free-stream turbulence on mid-chord laminar separation bubbles that may appear on the upper surface of low speed NLF airfoils typically used in general aviation or wind turbines. For this purpose, the relevant conditions found in the first part were transferred to the Laminar Wind Tunnel (Re = 880,000, Tu = 0.01%-0.38%) for detailed experimental investigation. A distinction is made between small-scale turbulence, which acts via the classical vortex receptivity, and large-scale turbulence, which corresponds to inflow angle fluctuations and acts on the evolution of the boundary layer via the transient change in stability properties. The insights gained in flight permit the modelling of the free stream turbulence to be expected in flight through the convective atmosphere. The results of the wind tunnel experiments allow to better regard these turbulent conditions during the design of NLF airfoils.

Windkraftturbinen und allgemeine Luftfahrt erzielen den heutigen Leistungsstand zu einem großen Teil dank der Entwicklung der Laminarprofile. Atmosphärische Turbulenz ist jedoch ein bisher wenig beachteter Faktor beim Entwurf dieser Profile. Einerseits sind die atmosphärischen Bedingungen in der Regel unzureichend statistisch charakterisiert, andererseits existieren bisher nur empirische Erfahrungswerte über die Wirkung atmosphärischer Turbulenz auf die Flügel-Grenzschicht und insbesondere auf laminare Ablöseblasen. Beide Themen werden in dieser Arbeit am Beispiel des Segelflugs behandelt. Im ersten Teil werden die Anströmbedingungen im typischen Überlandflug untersucht. Besonderes Augenmerk wird auf den Kreisflug in der Thermik und damit auf Bedingungen der konvektiv geschichteten atmosphärischen Grenzschicht gelegt. Dazu wurden die turbulenten Geschwindigkeitsfluktuationen während Überlandflügen mit hoher Auflösung gemessen. Dies erlaubt eine statistische Auswertung der Turbulenzintensität und der Geschwindigkeitsderivative. Für die gegebenen klimatischen Bedingungen ergibt sich eine sehr eng gefasste Charakteristik der Freistromturbulenz in der Thermik. Der zweite Teil befasst sich mit dem Einfluss der Anströmturbulenz auf laminare Ablöseblasen, wie sie typischerweise auf der Oberseite von Niedriggeschwindigkeitsprofilen auftreten können. Dazu wurden die Bedingungen, die im ersten Teil gefunden wurden, im Laminarwindkanal simuliert. Unterschieden wird dabei nach kleinskaliger Turbulenz, die über die klassische Rezeptivität wirkt, und großskaliger Turbulenz, die über die instationäre Änderung der Stabilitätseigenschaften auf die Grenzschichtentwicklung einwirkt. Erhöhte kleinskalige Turbulenz führt zu zusätzlichen Moden. Die Blase verkürzt sich um bis zu 20%. Bei großskaliger Turbulenz treten im untersuchten Bereich reduzierter Frequenzen keine spezifisch instationären Phänomene auf. Klein- und großskalige Turbulenz zeigen wenig Wechselwirkung.