Experimental determination of the free stream disturbance field in the short duration supersonic wind tunnel of Stuttgart University

Abstract

The present work investigates the free stream disturbance field in the Shock Wind Tunnel (SWK), a short duration supersonic facility of the “Institut für Aerodynamik und Gasdynamik” at Stuttgart University. It takes place in the framework of the Partial Project TPC5 from the Special Research Group 259 (SFB259), established at Stuttgart University and financed by the German Research Foundation (DFG). Measurements are performed at a nominal Mach number Ma=2.5 using a specially designed constant-temperature hot-wire anemometer (CTA) which enables an automatic scanning of the wire temperature in order to perform a complete modal analysis within one wind tunnel run (measurement time: 120ms). A new experimental procedure is developed to operate this anemometer in the SWK and, more generally, to extend the usual CTA operation in facilities with limited testing time. It is based on the post-processing of hot-wire results that are obtained with a non-optimized anemometer. In particular, a method enabling a very fast determination of the anemometer transfer function is developed. It is shown that the disturbance field is largely dominated by acoustic waves like in conventional supersonic facilities. The acoustic level is therefore repeatable from run to run, but depends on the position in the test section. Besides eddy Mach waves radiated by the turbulent boundary layer on the nozzle and the sidewalls, the disturbance field is characterized by highly localized shivering Mach waves caused by mean flow non-uniformities. Nevertheless, it is shown that due to its large size, its relative low disturbance character, and its economic mode of operation, the SWK should be remarkably advantageous for laminar-turbulent transition experiments.

In der vorliegenden Arbeit wird das Störfeld in der Messkammerströmung des großen Stoßwindkanals des Instituts für Aerodynamik und Gasdynamik der Universität Stuttgart experimentell ermittelt Diese Arbeit wurde im Rahmen des Teilprojekts C5 "Experimentelle Untersuchungen an Verdichtungsflächen und Triebwerkseinläufen für Hyperschallflugkörper" des Sonderforschungsbereiches 259 "Hochtemperaturprobleme rückkehrfähiger Raumtransportsysteme" der Deutschen Forschungsgemeinschaft durchgeführt. Messungen werden bei einer Nenn-Machzahl von Ma=2.5 mit Hilfe eines speziell entwickelten Konstant-Temperatur-Hitzdraht-Anemometers (CTA) durchgeführt. Mit diesem neuen Anemometer ist eine stufenweise Änderung des Überhitzungsverhältnisses des Drahtes innerhalb einer sehr kurzen Zeit möglich, sodass die Datenauswertung mit der Modalanalyse nach Kovásnay innerhalb einer typischen Stoßwindkanal-Messzeit von 120ms ermöglicht wird. Ein neues Verfahren wird entwickelt, um die Transferfunktion des CTAs innerhalb sehr kurzer Zeit zu bestimmen. Mit Hilfe dieser Funktion wird nach dem Windkanalversuch die gemessene Anemometer-Ausgangspannung in der Frequenzebene korrigiert, sodass eine genaue Datenauswertung fluktuierender Grössen bis zur hohen Frequenzen ermöglicht wird. Die mit Hilfe dieses neuen und exakteren Messverfahrens gewonnene Ergebnisse zeigen, daß akustische Wellen das Fluktuationsfeld in der Messkammer des SWKs dominieren, und daß andere Fluktuationsmoden im Normalbetrieb des Windkanals vernachlässigbar sind. Diese akustischen Wellen werden von der turbulenten Grenzschicht auf den Düsenblöcke und Seitenwände in dem Form von so genannten "Eddy Mach Waves" und "Shivering Mach Waves" abgestrahlt. Die Fluktuationsintensität in der Messkammer des SWKs ist relativ gering im Vergleich mit anderen Überschallwindkanälen, und weist eine sehr gute Reproduzierbarkeit auf. Deswegen ist der SWK, trotz seine turbulente Düsen- und die Seitenwandgrenzschicht, eine sehr geeignetes Werkzeug, um laminar-turbulente Experimente in Überschallströmungen durchzuführen.