Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.18419/opus-3920
Authors: Friederich, Tillmann
Title: Control of the secondary crossflow instability : direct numerical simulation of localized suction in three-dimensional boundary layers
Other Titles: Kontrolle der sekundären Querströmungsinstabilität : direkte numerische Simulationen von lokalisierter Absaugung in dreidimensionalen Grenzschichten
Issue Date: 2013
metadata.ubs.publikation.typ: Dissertation
URI: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-85476
http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/3937
http://dx.doi.org/10.18419/opus-3920
metadata.ubs.bemerkung.extern: Druckausg. bei Shaker, Aachen erschienen. ISBN 978-3-8440-2114-1
Abstract: Transition control by localized “pinpoint” suction in a three-dimensional boundary-layer flow with crossflow is investigated by means of direct numerical simulation. The control of large-amplitude steady crossflow vortices with active secondary instability constitutes hereby an alternative promising possibility to maintain laminar flow on relevant regions of airliner wings (active laminar flow control) resulting in a significant reduction of drag and thus also of greenhouse gas emissions. Up to date, laminar flow control applied to tackle crossflow instability aims at a reduction of the primary crossflow instability, i.e. hindering the development of large-amplitude, secondarily unstable crossflow vortices. The classically applied homogeneous suction focuses on reducing the crossflow in the quasi two-dimensional base flow which results in hindered growth of crossflow vortices, later-induced secondary instability and hence delayed laminarturbulent transition. On the other hand, techniques like the “distributed roughness elements” method or “distributed flow deformation” excite locally stable or weakly unstable crossflow vortex modes, leading to “benign” crossflow vortices that are spaced narrower than the naturally amplified ones while suppressing all other modes, including the most unstable ones. In the current work, the three-dimensional nonlinear disturbance state with large-amplitude steady crossflow vortices including already active secondary instability is controlled by means of pinpoint hole suction. The influence of hole-suction modeling on the effects of pinpoint suction is checked in the first part of the work where results from a numerically extensive compressible simulation are discussed that comprises the channel flow below the suction orifice. Although the actual wall-normal velocity distribution in the suction hole deviates from the modeled prescribed distribution, it is shown that at equal mass flux the effects on the crossflow vortex are virtually identical and secondary instability is equally attenuated. In the second part of the work, localized pinpoint suction through holes is activated below the updraft side of the primary vortices. It is shown that the overall vortical motion is reduced by the imposed negative wall-normal velocity component while simultaneously the growth of unstable high-frequency secondary instability modes is attenuated that are located in a high-shear layer above the suction holes. Thereby, the associated flow field is stabilized and laminar-turbulent transition is significantly delayed or suppressed. A case with homogeneous suction at equal suction rate is shown to be virtually ineffective at this transition stage, while cases with slit suction, where the slits extend in spanwise direction, perform still well; however, the attenuation found in cases with concentrated hole suction is not reached. In all considered setups the suction-induced increased wall shear is by far overcompensated by the much stronger decrease due to the transition delay resulting in an overall effective drag reduction.
Mit Hilfe von direkten numerischen Simulationen wird untersucht, ob der laminar-turbulente Umschlag in einer dreidimensionalen Pfeilflügelgrenzschicht durch konzentrierte Absaugung kontrolliert werden kann. Diese Methode stellt im Forschungsgebiet Laminarhaltung (laminar flow control) eine Möglichkeit dar, Strömungen an Pfeilflügeln von Verkehrsflugzeugen über weite Strecken laminar zu halten, auch wenn sich schon großamplitudige stationäre Querströmungswirbel mit aktiver instationärer Sekundärinstabilität entwickelt haben. Durch das Hinauszögern der Transition wird der Widerstand und damit der Treibstoffverbrauch erheblich reduziert, was gleichzeitig eine Reduktion der ausgestoßenen Treibhausgase bewirkt. Bis heute wurde Laminarhaltung in Pfeilflügelgrenzschichten dadurch erreicht, dass die Primärinstabilität (Querströmungsinstabilität) reduziert und damit die Entwicklung stationärer großamplitudiger, sekundär instabiler Querströmungswirbel verzögert wurde. Die klassische, homogene Absaugung der Grenzschicht an der Wand reduziert die Querströmung in der Grenzschicht, was eine Abschwächung der Querströmungsinstabilität und damit ein späteres Einsetzen von Sekundärinstabilitäten und der Transition zur Folge hat. Das andere Laminarkonzept, bekannt als “distributed roughness elements” (verteilte Rauigkeitselemente) oder “distributed flow deformation” (verteilte Strömungsverformung), verspricht eine Unterdrückung der instabilsten Querströmungswirbelmoden durch die gezielte Anregung von schwach instabilen Moden, die nicht sekundär instabil sind. Die dadurch entstehenden “gutartigen”Wirbel liegen in Spannweitenrichtung näher zusammen als die natürlich angefachtesten, hindern sich gegenseitig im Wachstum aufgrund gleicher Rotationsrichtung und sättigen deshalb auf (für die Sekundärinstabilität relevantem) unterkritischem Amplitudenniveau. Das Wachstum anderer instabiler Moden wird durch die vorherrschenden Wirbel unterdrückt. In der vorliegenden Arbeit wird im Gegensatz dazu ein dreidimensionaler, nichtlinearer Strömungszustand, der großamplitudige stationäre Quer- strömungswirbel mit aktiver Sekundärinstabilität beinhaltet, durch konzentrierte (Loch-) Absaugung kontrolliert. Im ersten Teil wird der Einfluss der Absauge-Modellierung auf die konzentrierte Absaugung untersucht. Das Modellieren von Lochabsaugung bietet generell den Vorteil, dass die numerischen Simulationen erheblich günstiger sind. Ergebnisse einer aufwändigen Simulation, in der die Kanalströmung unter der Absaugeöffnung mitsimuliert wird, werden hier mit dem zugehörigen, modellierten Fall verglichen. Obwohl sich die wandnormale Geschwindigkeitsverteilung in der Öffnung des simulierten Kanals von der modellierten Verteilung unterscheidet, sind die Auswirkungen auf den Querströmungswirbel bei gleicher abgesaugter Masse praktisch identisch und auch die Sekundärinstabilität wird in gleichem Maße abgeschwächt. Im zweiten Teil der Arbeit wird gezeigt, dass konzentrierte Absaugung durch Löcher, die unterhalb der aufwärtsdrehenden Seite der Querströmungswirbel angebracht sind, die Wirbelbewegung reduziert, und zwar durch die dadurch überlagerte negative wandnormale Geschwindigkeitskomponente. Gleichzeitig wird dasWachstum instabiler, sekundärer Hochfrequenzinstabilitätsmoden abgeschwächt, die sich in einer Scherschicht über den Absaugelöchern befinden. Das Strömungsfeld wird dadurch stabilisiert und das Einsetzen von laminarturbulenter Transition erheblich verzögert oder unterdrückt. Eine Simulation mit homogener Absaugung bei gleicher Absaugerate zeigt einen nur schwachen Einfluss in diesem nichtlinearen Stadium der Transition. Schlitzabsaugung mit wenigen spannweitigen Schlitzen liefert gute Ergebnisse; jedoch wird die Abschwächung durch konzentrierte Absaugung nicht erreicht. Das Ansteigen der absaugeinduzierten Wandschubspannung wird durch deren Verringerung als Folge der Transitionsverzögerung bei weitem überkompensiert, was in allen betrachteten Fällen zu einer Widerstandsreduktion führt.
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