Numerische Untersuchungen zur Transition in der laminaren Ablöseblase einer Tragflügelgrenzschicht

Die Vorgange beim Grenzschichtumschlag in laminaren Abloseblasen, lokalen Ruckstromgebieten in der Grenzschicht, wie sie an Laminarprofilen von Segelflugzeugen oder Hochauftriebshilfen von Verkehrsflugzeugen auftreten konnen, werden mittels direkter numerischer Simulationen untersucht. Um den Besonderheiten von laminaren Abloseblasen, insbesondere der starken Wechselwirkung der Grenzschicht mit der umgebenden Potentialstromung, Rechnung zu tragen, wurde ein leistungsfahiges Grenzschichtinteraktionsmodell durch die Erweiterung bestehender Modelle entwickelt und in das numerische Verfahren implementiert. Grundstromungsprofile mit starker Ruckstromung sind sehr instabil gegenuber Storungen mit kleiner Amplitude und konnen zur zeitlichen Anfachung von Storwellen fuhren (absolute Instabilitat). Dann entwickelt sich der Grenzschichtumschlag aus beliebigen Anfangsstorungen unabhangig von stromauf der Abloseblase schon vorhandenen, in die Abloseblase konvektierten Storwellen. Mit Hilfe der linearen Stabilitatstheorie (LST) werden zunachst die Rahmenbedingungen untersucht, unter denen Ruckstromungsprofile absolut instabil werden, und in Stabilitatsdiagrammen zusammengestellt. In einer DNS wird erstmals gezeigt, dass in Abloseblasen absolute Instabilitat auftreten kann. In diesem Fall ergibt auch die Stabilitatsanalyse der entsprechenden Grundstromungsprofile mit der LST Anfachungsraten an der Grenze zu absoluter Instabilitat und eine gute ubereinstimmung der Storprofile mit der DNS. Trotz der Vernachlassigung der starken Nichtparallelitat der Grenzschicht im Bereich der Abloseblase in der LST sind die Abweichungen zwischen den tatsachlichen Anfachungsraten in der DNS und den LST-Ergebnissen klein und die LST ist ein zuverlassiges Werkzeug zur Vorhersage absoluter Instabilitat in laminaren Abloseblasen. The physics of the laminar-turbulent transition in laminar separation bubbles (LSB), local recirculation regions in the boundary layer, are investigated by means of direct numerical simulations (DNS). LSB may occur at laminar airfoils of gliders under high-lift conditions or at high-lift devices of air-liners during take-off or landing. To capture the particularities of LSB, especially the strong interaction of the boundary layer with the surrounding potential flow, a high performance boundary interaction model was developed and applied to the DNS code. Mean-flow profiles with strong reverse flow are strongly unstable with respect to disturbance waves with small amplitude, so-called Tollmien-Schlichting (TS) waves, and even temporal amplification of such disturbance waves (absolute instability) may occur. If absolute instability is present, the boundary layer transition develops independently from the disturbance waves, which are convected from upstream of the LSB into the absolute unstable region. In a first step, the conditions when reverse-flow profiles become absolute unstable are investigated by means of the linear stability-theory (LST). The results are collected in stability charts. The second step deals with absolute instability in a LSB. In a DNS it is proofed for the first time, that boundary-layer transition in LSB may be caused by absolute instability. The amplification rates calculated with the LST for the respective mean-flow profiles in the DNS are at the limit to absolute instability. Furthermore, the disturbance profiles in the DNS and according to the LST compare well at certain positions in the absolute unstable region. Despite non-parallel effects are neglected in LST, it thus is a reliable tool for the prediction of absolute instability in laminar separation bubbles. However, absolute instability in LSB requires very special conditions.