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Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der analytischen Modellierung und Optimierung synthetischer Jet-Aktuatoren, welche zur aktiven Strömungsbeeinflussung genutzt werden können. Ein in der Literatur bekanntes eindimensionales Modell wird ausführlich hergeleitet und an gemessene Geschwindigkeitsspektren verschiedener Jet-Aktuatoren angepasst. Der Einfluss jedes Modellparameters wird separat untersucht. Außerdem wird ein empirischer Zusammenhang zwischen Membranresonanzfrequenz und Luftkammervolumen angegeben, mit dessen Hilfe synthetische Jet-Aktuatoren mit größtmöglichen Strömungsgeschwindigkeiten durch die Düse konstruiert werden können.

Since the 1970s, when the reaction engines had their noise reduced by the increase in their bypass ratio, airframe became the most prominent aerodynamic noise source during the approach to landing. From the airframe noise sources, the high-lift devices are one of the most significant. The most studied and applied solutions for these noise sources refer to passive flow control, and there are relatively few studies related to active flow control. Active flow control is achieved by adding energy to the flow in order to manipulate it. One way to accomplish this is through the dielectric barrier discharge plasma actuators. These devices create an intense electric field between two electrodes separated by a dielectric. This strong electric field ionizes and accelerates the air through collision of charged particles of the plasma with neutral air molecules. Thus, a wall jet is produced without using moving parts. In this research, plasma actuators were installed at the flap side edge, at the cove and at the cusp of the slat. Wind tunnel tests have demonstrated the potential of these devices for high-lift noise reduction, allowing for a decrease up to 0.75 dB in the overall flap noise and up to 3.3 dB in overall slat noise (with a reduction of 12 dB at the higher peak). / Desde a década de 1970, quando os motores a reação tiveram seu ruído reduzido devido ao aumento da razão de derivação, o ruído de célula se tornou o mais proeminente durante a fase de aproximação para pouso. Do ruído de plataforma aeronáutica, destacam-se os ruídos gerados pela interação do escoamento com os dispositivos hipersustentadores. As soluções mais estudadas e aplicadas para estas fontes de ruído se referem a controle passivo do escoamento, havendo relativamente poucos estudos relacionados a controle ativo. Controle ativo do escoamento é obtido adicionando-se energia ao mesmo, e uma forma de realizar isto é através dos atuadores de plasma de descarga de barreira dielétrica. Nestes dispositivos um intenso campo elétrico entre dois eletrodos separados por um dielétrico é gerado, ionizando e acelerando o ar através da colisão de partículas carregadas do plasma com moléculas neutras. Desta forma, um jato de parede é produzido sem o uso de partes móveis. Nesta pesquisa, atuadores de plasma foram instalados na borda lateral do flape, na cova e na cúspide do eslate. Ensaios em túnel de vento demonstraram o potencial destes dispositivos para redução de ruído de hipersustentadores, permitindo a redução de até 0.75 dB no ruído global de flape e de até 3.3 dB no ruído global de eslate (com redução de 12 dB no maior pico).

Die vorwiegend experimentelle Arbeit befasst sich mit der systematischen Untersuchung von Parametervariationen bei der aktiven Strömungskontrolle mit elektromagnetischen Kräften. An einer angestellten Platte und einem NACA0015-Profil wurde die saugseitige abgelöste Strömung durch das Einbringen einer periodischen wandparallelen Lorentzkraft an der Vorderkante beeinflusst und experimentell mittels zeitaufgelöster Particle Image Velocimetry (PIV) untersucht. Dabei wurde für verschiedene Anstellwinkel und Reynoldszahlen die Frequenz der Anregung, deren Impulseintrag und der zeitliche Kraftverlauf variiert. Strömungsmechanische Untersuchungen experimenteller und numerischer Natur wurden für eine elektrochemische Zelle und den Fall der Elektrolyse an Millieelektroden unter dem Einfluss externer Magnetfelder durchgeführt. Die Übereinstimmung der gemessenen und berechneten Geschwindigkeitsfelder war dabei sehr gut. Entgegen der Annahme, dass im Falle homogener Magnetfelder keine Strömungen induziert werden, konnte nachgewiesen werden, dass durch die lokale Krümmung der elektrischen Feldlinien in Elektrodennähe starke Lorentzkräfte generiert werden. Dies führt zu sehr komplexen Primär-und Sekundärströmungen. Die gleichen Effekte bewirken ebenfalls in der Nähe von Millieelektroden starke Lorentzkräfte in homogenen magnetischen Feldern. Die experimentellen Beobachtungen an Millieelektroden von Leventis et. al (2005), welche zum Beweis der Konzentrationsgradientenkraft herangezogen wurden, konnten alle auf das Wirken lokaler Lorentzkräfte zurückgeführt werden. Der experimentelle Nachweis der Konzentrationsgradientenkraft steht damit weiterhin aus. Zur Messung der Konzentrationen in elektrochemischen Systemen wurde erstmals das Hintergrundschlierenverfahren angewendet. Dieses Verfahren erlaubt die Bestimmung der räumlichen Konzentrationsgradienten mit erheblich weniger messtechnischen Aufwand gegenüber spektroskopischen Methoden und der Schlierentechnik.

Le contrôle actif d’écoulement est actuellement étudié dans le but d’améliorer les performances aérodynamiques des véhicules aériens ou terrestres. La diminution de la traînée permettrait de réduire la consommation de carburants fossiles et donc l’émission des gaz à effet de serre des véhicules. Les actionneurs fluidiques sont utilisés comme dispositifs de contrôle depuis une quinzaine d’année. Le contrôle par jet synthétique semble être le plus adapté à une application sur un véhicule de série dans la mesure où l’actionneur ne doit pas être alimenté en fluide. Le travail présenté dans cette thèse combine l’expérimentation physique et la simulation numérique. Elle s’intéresse tout particulièrement au contrôle de l’écoulement autour d’un corps de Ahmed à culot droit à l’aide d’un actionneur de type jet synthétique. Les essais en soufflerie ont été essentiellement utilisés pour caractériser l’écoulement autour du corps de Ahmed et dans son sillage. L’écoulement autour de cette géométrie simplifiée de véhicule terrestre a été caractérisé par des pesées aérodynamiques, des mesures de pressions pariétales, des acquisitions des fluctuations de vitesse par anémomètrie à fil chaud et des mesures de champs de vitesse par Vélocimétrie par Images de Particules. Les grandeurs moyennes et instationnaires de l’écoulement ont ainsi pu être caractérisées. Les simulations numériques à l’aide du code de calcul elsA ont ensuite été réalisées sur une configuration similaire. Les résultats des simulations de l’écoulement non contrôlé ont été confrontés aux résultats expérimentaux. Dans le but d’agir sur la traînée, le contrôle à l’aide d’un actionneur de type jet synthétique a été réalisé sur la même géométrie. Les paramètres de contrôle tels que la quantité de mouvement, la fréquence d’actionnement et l’orientation des jets synthétiques ont été testés numériquement. Le contrôle à l’aide des paramètres testés, a entrainé une augmentation de la traînée qui est due à une réduction de la longueur de la zone de recirculation associée à une diminution de la pression pariétale au niveau du culot de la maquette. Il ressort de ce travail que le contrôle par jet synthétique à basse fréquence orienté selon le sens principal de l’écoulement semble être une voie à explorer. / Active flow control is currently studied in order to improve aerial or ground vehicle aerodynamics. Diminishing aerodynamic drag leads to a reduction of fuel consumption and so in greenhouse gas emissions of vehicles. Fluidic actuators have been used as control devices for about fifteen years. Considering the fact that the actuator does not need external fluid supply system, synthetic jet control seems to be the most suitable solution that can fit on production vehicles. This thesis combines experimental tests and numerical simulations. It tackles with the flow control around a square back Ahmed body with synthetic jet actuator. Wind tunnel tests have essentially been used to characterize the flow around and in the wake of the Ahmed body. Flow around this simplified geometry of ground vehicle has been characterized using hot wire anemometry, flush mounted pressure taps and two components Particular Image Velocimetry. The steady and unsteady features of the wake flow have thus been characterized. Simulations of this flow have been performed with the computation code elsA. Results of the simulations of the natural flow around the square back Ahmed body have been compared to experimental results. With a view to modifying the drag, flow control thanks to a synthetic jet actuator has been tested on a square back Ahmed body. Parameters of the flow control, such as momentum coefficient, actuation frequency and orientation of the synthetic jet have been numerically investigated. Results show a decrease of the circulation length leading to a diminution of the base pressure and hence to an increase of the drag. Flow control by using a low frequency with slots oriented along the mainstream seems to be a path to explore.

Les oscillateurs fluidiques qui peuvent générer des excitations périodiques sont des actionneurs très prometteurs pour des applications de contrôle actif des écoulements. Les oscillations sont en effet complètement auto-induites et produites en l'absence de parties mobiles ce qui rend ces actionneurs très intéressants en termes de fiabilité et de robustesse. Ce travail de thèse avait pour objectif principal d'identifier les mécanismes physiques qui contrôlent la dynamique de fonctionnement de ce type d'oscillateurs fluidiques et de proposer des lignes directrices pour la conception d'oscillateurs dont les performances soient adaptées aux applications de contrôle d'écoulements envisagées. L'analyse expérimentale de plusieurs prototypes couplée à des simulations numériques a permis de mettre en évidence que le mécanisme de basculement du jet dans ce type d'oscillateurs est contrôlé par les gradients de pression existants au niveau de deux parties critiques de ces actionneurs. A partir de cette analyse, une relation simple a été établie permettant d'estimer la fréquence des oscillations. Deux méthodes de synchronisation, permettant le contrôle du déphasage entre les actionneurs, ont été proposées et validées expérimentalement ainsi qu'à l'aide de simulations numériques. Une matrice de micro­ oscillateurs fluidiques a été conçue, fabriquée et finalement intégrée sur une rampe installée en soufflerie. L'analyse expérimentale de son efficacité pour le contrôle de l'écoulement séparé a mis en évidence un gain important par rapport aux résultats obtenus lors de travaux précédents sur des écoulements de paroi similaires à l'aide d'autres types d'actionneurs fluidiques. / Fluidic oscillators which can generate periodic excitations are very promising for active flow control applications, due to their reliability and robustness, as their internal flow oscillation is totally self-induced and self-sustained. The main objective of this work is to identify the underlying mechanisms controlling the dynamics of this kind of fluidic oscillator and to propose guiding lines for the design of oscillators. Experimental analysis of several oscillator prototypes and associated numerical simulations have permitted to explain that the jet switching in this kind of oscillator is controlled by pressure gradients in two critical parts of the device. From these analyses, a simple function has been proposed to estimate the oscillation frequency. Two synchronization methods, allowing the control of the phase lag between the actuators, have been proposed and validated experimentally and by numerical simulations. An array of micro-fluidic oscillators has then been designed and tested on a ramp separated flow, showing much higher efficiency compared to other kind of fluidic actuators tested on similar wall flows in previous studies.

This thesis makes contributions towards the development of two different small-scale sensing systems which show promise for measurements in fluid mechanics. Well-resolved turbulent Wall Shear Stress (WSS) measurements could provide a basis for realistic computational models of near-wall turbulent flow in aerodynamic design. In aerodynamics field applications, they could provide indication of flow direction and regions of separation, enabling inputs for flight control or active control of wind-turbine blades to reduce shock and fatigue loading due to separated flow regions. Traditional thermal WSS sensors consist of a single microscale hot-film, flush-mounted with the surface and maintained at constant temperature. Their potential for fast response to small fluctuations may not be realized, as heat transfer through the substrate creates heat-exchange with fluid, leading to loss of spatial and temporal resolution. The guard-heated thermal WSS sensor is a design introduced to block this loss of resolution. A numerical flow-field with a range of length and time and scales was generated to study the response of both guard-heated and conventional single-element thermal WSS sensors. A conjugate heat transfer solution including substrate heat conduction and flow convection, provides spatiotemporal data on both the actual and the “measured” WSS fluctuations calculated from the heat transfer rates experienced due to the WSS field. For a single-element sensor in air, we found that the heat transfer through the substrate was up to six times larger than direct heat transfer from the hot-film to the fluid. The resulting loss of resolution in the single-element sensor can be largely recovered by using the guard-heated design. Spectra for calculated WSS from heat transfer response show that high frequencies are considerably better resolved in guard-heated sensors than in the single element sensor. Nanoresonators are nanowires (NWs) excited into mechanical vibration at a resonance frequency, with a change in spectral width created by gas damping from the environment, or a shift in the resonance peak frequency created by added mass. They enable a wide range of applications, from sensors to study rarefied gas flow friction to the detection of early-stage cancer. The extraordinary sensitivity of nanoresonators for disease molecule detection has been demonstrated with a few NWs, but the high cost of traditional electron-beam lithography patterning, have inhibited practical applications requiring large arrays of sensors. Field-directed assembly techniques under development in our laboratory enable a large number of devices at low cost. Electro-deposition of metals in templates yields high-quality single nanowires, but undesired clumps must be removed. This calls for separation (extraction) of single nanowires. In this work, single nanowires are extracted by using the sedimentation behavior of particles. Based on numerical and experimental analyses, the optimum time and region for extracting samples with the highest fraction of single nanowires ratio was found. We show that it is possible to take samples free of large clumps of nanowires and decrease the ratio of undesired particles to single nanowires by over one order of magnitude. / Graduate

Tato diplomová práce obsahuje komplexní návrh systému aktivního řízení proudu instalovaného na osobním voze Škoda Roomster. Tato práce navazuje na výzkum provedený VUT a TUB na vozidle Volkswagen UP! Návrh lze rozdělit na tři základní části - návrh spoileru, návrh závěsů a návrh vyfukovacího systému. V každé z těchto částí je návrh detailně popsán a potřebná výkresová dokumentace je součástí práce v její příloze. Pro potřeby návrhu vyfukovacího systému bylo provedeno jeho testování. Výsledky testu jsou v této části uvedeny. Práce také obsahuje komplexní popis sestavení celého systému a jeho instalace na automobil.