Separation Control by Flow-Induced Oscillations of a Resonator (2003)

Strömungserregte akustische Resonatoren werden als adaptive passive Methode zur Beeinflussung von Ablösung untersucht. Passive Methoden benötigen keine Energiezufuhr von außen, um die Strömung zu verändern. In diesem Fall wird Fluid in einem Resonator durch Wechselwirkung mit einer Querströmung in Schwingung versetzt. An der Mündung entstehende Wirbel strukturieren die Strömung stromab so um, daß zusätzlicher Impuls in Wandnähe transportiert wird. Dadurch wird im zeitlichen Mittel ein Rückströmgebiet verkleinert oder ganz eliminiert. Die Kenngrößen der Beeinflussung (fluktuierender Impulsstrom in der Mündung und Frequenz der Schwingung) können über einen geschlossenen Regelkreis durch Veränderung der Resonatorgeometrie auf den Strömungszustand abgestimmt werden. Um die Eigenfrequenzen und -moden zu bestimmen, wurden analytische, numerische und experimentelle Methoden angewendet. Eine Querströmung kann Resonanzschwingungen anregen, wenn die Frequenz, mit der sich im Resonatorhals Wirbel bilden, annähernd gleich einer dieser Eigenfrequenzen ist. Die Bildung der Wirbel wird durch die Geometrie der Resonatormündung bestimmt. Diese wurde so optimiert, daß die Wirbelstärke-Produktion erhöht wurde, verbunden mit einer verbesserten Wirkung auf ein stromab gelegenes Ablösegebiet. Beim Einsatz mehrerer, in Spannweitenrichtung benachbarter Resonatoren bilden sich gegenphasige Schwingungszustände aus. Im Nachlauf der Schwingungsknoten entstehen alternierende Längswirbel, die die Wandschubspannung in diesem Bereich erhöhen und daher weiter zur Verringerung von Ablösegebieten beitragen. Gegenüber einem einzelnen Resonator ist der abgestrahlte Schalldruck um etwa eine Größenordnung verringert. Die Methode wurde erfolgreich in zwei Strömungskonfigurationen eingesetzt: in einem Halbdiffusor mit 23° Öffnungswinkel und an einem gegenüber der Strömung stark angestellten Tragflügel mit FX 61-184-Profil (23°). In beiden Fällen befanden sich die Resonatoren kurz stromauf der Ablöselinie. Im Diffusor wurde eine turbulent ablösende Grenzschicht durch in der Helmholtz-Mode schwingende Resonatoren beeinflußt. Das geschlossene Rückströmgebiet wurde verkleinert und der Druckrückgewinn mit einem Resonator um 13 % erhöht. Mit zwei gegenphasig schwingenden Resonatoren betrug die Verbesserung 18 %. Um den Resonator an veränderliche Strömungsbedingungen anzupassen, wurde ein geschlossener Regelkreis eingesetzt, der auf einem Maximum-Such-Verfahren basierte. Als Stellgrößen dienten Schlitzweite und Höhe des Resonator-Hohlraumes, während der Schalldruck im Resonator und der Druckrückgewinn im Diffusor als Regelgrößen verwendet wurden. Der Regler konnte das globale Optimum beider Parameter unabhängig von den Anfangsbedingungen auffinden. In den Experimenten am Tragflügel wurde die nahe der Vorderkante laminar ablösende Strömung durch einen Resonator beeinflußt, der in der ersten azimuthalen Hohlraum-Mode schwang. Die Länge des sich ursprünglich über die gesamte Saugseite des Profils erstreckenden Ablösegebietes wurde verringert. Stromab des Resonators gemessene Geschwindigkeitsprofile zeigten einen Impulszuwachs in Wandnähe. Die Saugspitze in der Druckverteilung wurde teilweise wiederhergestellt, woraus ein Auftriebsgewinn gegenüber dem unbeeinflußten Fall von bis zu 36 % resultierte.