Univ., Diss.--Göttingen, 2002. / Literaturverz. S. [131] - 135.

Göttingen, University, Diss., 2002.

An experiment has been conducted to examine the generation and subsequent evolution of boundary-layer disturbances on a two-dimensional airfoil up through transition to turbulent flow. The experiment was conducted at the NASA Langley Research Center "2 ft by 3 ft Low Speed Wind Tunnel Facility." The primary objective of the experiment was to generate a comprehensive database that includes the effect of the external disturbance environment on the transition process and can be used as a benchmark for future transition prediction tools. The airfoil used for this experiment was custom designed. The model was a 6% thick, 4-ft chord unswept symmetric wing. A description of the design procedure, along with the theoretical stability characteristics of the airfoil will be presented in this paper. The experiment consisted of establishing the mean flow conditions, forcing two-dimensional Tollmien-Schlichting (T-S) waves in the boundary layer using modulated acoustic bursts in the free-stream, and acquiring the mean boundary-layer data and fluctuating disturbance data using hot-wire probes. The acoustic receptivity due to surface roughness near Branch I has been examined. The surface roughness consisted of two-dimensional strips of tape applied at and symmetrically spaced about Branch I. Repeated roughness elements were spaced one wavelength apart based upon the wavelength of the primary forcing frequency as determined by linear-stability theory. The test conditions consisted of mean flow velocities of 15 and 20 m/s, which correspond to chord Reynolds numbers of 1.25 and 1.68 million, respectively. Boundary-layer disturbance profiles and constant boundary-layer height chordwise traverses were acquired and examined at individual frequencies and in total energy amplitude / broadband forms. The experimental results match well with linear stability theory and linear parabolized stability equations, indicating breakdown of disturbances between N-factors of 7 and 11 with surface roughness on the model. It was observed that when the flow physics change, differences between linear-stability theory and experiment are strongly apparent. An amplitude-based breakdown criterion was defined for the developing boundary-layer responses, which were burst-type packets like the acoustic forcing signal. A criterion was defined for the breakdown of both maxima of the T-S-like disturbance profile. Overall, the effects of surface roughness and free-stream acoustic forcing on boundary-layer receptivity and stability were examined in a well-documented disturbance environment. These results will be used to validate and refine non-linear flow theories as well as help to provide an improved understanding and improved methods to control flow transition. / Ph. D.

Als Teilprojekt des Themenkreises III "Transitionskontrolle" des Schwerpunkt-Forschungsprogramms "Transition" der Deutschen Forschungsgemeinschaft, konzentriert sich diese Arbeit auf experimentelle Grundlagenuntersuchungen zum laminar-turbulenten Grenzsichtumschlag. Die Experimente wurden in der Grenzschicht einer ebenen, parallel angeblasenen, hydraulisch glatten Platte durchgeführt. Einen besonderen Schwerpunkt bildet die Abhängigkeit der Entwicklung der Instabilitäten, der sogenannten Tollmien-Schlichting Wellen, von deren Schräglaufwinkel zur Plattenvorderkante. Weiterhin wird der Einfluss zahlreicher Parameter wie z.B. des Schalldruckpegels und der Anregungsfrequenz diskutiert. Die Anregung der Tollmien-Schlichting Wellen erfolgte über periodisches Ausblasen / Ansaugen von Luft durch oberflächenbündige Schlitze quer zur Strömungsrichtung. Mit einem zeitlich hochauflösenden, restlichverstärkendem Kamerasystem konnten Aufnahmen der Strömungsvisualisierung erzielt werden, die unter anderem die zeitliche Entwicklung von Wirbelstrukturen (Lambda- Wirbel) zeigen. Zur Analyse der experimentell gewonnen Daten werden vergleichend Berechnungen nach der "Linearen Stabilitätstheorie" diskutiert. Einen weiteren Schwerpunkt bilden Untersuchungen zur aktiven Transitionskontrolle. Dabei wird der künstlich angeregten Tollmien Schlichting Welle eine gegenphasige Störwelle stromab überlagert. Es konnte nachgewiesen werden, das mit diesem Verfahren entsprechend des Superpositionsprinzips, die anfängliche Störamplitude der Tollmien Schlichting Welle deutlich reduziert wird. Es kommt zu einer fast vollständigen Störauslöschung. Untersuchungen im Nahfeld der Störeinkopplung, sowohl im Bereich der Anregnung als auch der gegenphasigen Dämpfungseinkopplung, zeigen deren Auswirkung auf die Entwicklung der Grenzschicht. / A sub-project of the working group III, "Transition Control" of the German Research Community's project "Transition", this paper is focused on experimental fundamental investigations in the field of laminar-turbulent transition. The experiments were carried out in the boundary layer of a flat plat with tangential blowing. The main topic is the development of instabilities, or so-called Tollmien-Schlichting Waves (TSWs), based on the oblique angle between the TSWs and the leading edge. In addition the influence of other parameters, including the sound-pressure level and the frequency of the TSWs are discussed. The instabilities are initialised by suction and blowing through flush, oblique slots in the surface of a flat plate. Pictures of the flow visualisation, recorded with a high-speed camera system, show the time-resolved development of structures (Lamda-Vortices) within the boundary layer. In order to analyse the experimental data, a comparison is made between it and numerical calculations corresponding to the Linear Instability Theory. Another main topic is the investigation of the active transition control. According to the Super Position Principle a second wave with opposite phase is superimposed on the TSW. It can be demonstrated that this technique works with oblique waves too. The initialised instabilities can almost completely be cancelled out. Investigations very close to the initialising slots of the TSW with a high special resolution show their influence on the development of the boundary layer.

Als Teilprojekt des Themenkreises III "Transitionskontrolle" des Schwerpunkt-Forschungsprogramms "Transition" der Deutschen Forschungsgemeinschaft, konzentriert sich diese Arbeit auf experimentelle Grundlagenuntersuchungen zum laminar-turbulenten Grenzsichtumschlag. Die Experimente wurden in der Grenzschicht einer ebenen, parallel angeblasenen, hydraulisch glatten Platte durchgeführt. Einen besonderen Schwerpunkt bildet die Abhängigkeit der Entwicklung der Instabilitäten, der sogenannten Tollmien-Schlichting Wellen, von deren Schräglaufwinkel zur Plattenvorderkante. Weiterhin wird der Einfluss zahlreicher Parameter wie z.B. des Schalldruckpegels und der Anregungsfrequenz diskutiert. Die Anregung der Tollmien-Schlichting Wellen erfolgte über periodisches Ausblasen / Ansaugen von Luft durch oberflächenbündige Schlitze quer zur Strömungsrichtung. Mit einem zeitlich hochauflösenden, restlichverstärkendem Kamerasystem konnten Aufnahmen der Strömungsvisualisierung erzielt werden, die unter anderem die zeitliche Entwicklung von Wirbelstrukturen (Lambda- Wirbel) zeigen. Zur Analyse der experimentell gewonnen Daten werden vergleichend Berechnungen nach der "Linearen Stabilitätstheorie" diskutiert. Einen weiteren Schwerpunkt bilden Untersuchungen zur aktiven Transitionskontrolle. Dabei wird der künstlich angeregten Tollmien Schlichting Welle eine gegenphasige Störwelle stromab überlagert. Es konnte nachgewiesen werden, das mit diesem Verfahren entsprechend des Superpositionsprinzips, die anfängliche Störamplitude der Tollmien Schlichting Welle deutlich reduziert wird. Es kommt zu einer fast vollständigen Störauslöschung. Untersuchungen im Nahfeld der Störeinkopplung, sowohl im Bereich der Anregnung als auch der gegenphasigen Dämpfungseinkopplung, zeigen deren Auswirkung auf die Entwicklung der Grenzschicht. / A sub-project of the working group III, "Transition Control" of the German Research Community's project "Transition", this paper is focused on experimental fundamental investigations in the field of laminar-turbulent transition. The experiments were carried out in the boundary layer of a flat plat with tangential blowing. The main topic is the development of instabilities, or so-called Tollmien-Schlichting Waves (TSWs), based on the oblique angle between the TSWs and the leading edge. In addition the influence of other parameters, including the sound-pressure level and the frequency of the TSWs are discussed. The instabilities are initialised by suction and blowing through flush, oblique slots in the surface of a flat plate. Pictures of the flow visualisation, recorded with a high-speed camera system, show the time-resolved development of structures (Lamda-Vortices) within the boundary layer. In order to analyse the experimental data, a comparison is made between it and numerical calculations corresponding to the Linear Instability Theory. Another main topic is the investigation of the active transition control. According to the Super Position Principle a second wave with opposite phase is superimposed on the TSW. It can be demonstrated that this technique works with oblique waves too. The initialised instabilities can almost completely be cancelled out. Investigations very close to the initialising slots of the TSW with a high special resolution show their influence on the development of the boundary layer.

La transition laminaire-turbulent au sein de la couche limite qui se développesur les parois des aéronefs augmente fortement la traînée de frottement. Ainsi, afin derépondre à une problématique à la fois environnementale et économique, une piste envisagéepour réduire la consommation en carburant des aéronefs du futur est de diminuerla trainée en reculant cette transition le plus en aval possible. Dans ce cadre, l’objectifde cette thèse est de caractériser expérimentalement et numériquement l’effet d’actionneursà plasma de type Décharge à Barrière Diélectrique sur la transition. Alimentés parune haute tension alternative, ces actionneurs actifs produisent une force volumique pulséequi permet, sous certaines conditions, de modifier les profils de vitesse moyenne dansla couche limite et de reculer la transition. Sous d’autres conditions, le caractère instationnairede cette force volumique peut entrainer une amplification des instabilités modalesnaturellement présentes dans la couche limite (ondes de Tollmien-Schlichting) et ainsiconduire à une transition prématurée. Une première expérience a permis de mettre enévidence cette compétition entre l’effet moyen stabilisant et l’effet instationnaire déstabilisanten mesurant respectivement un recul et une avancée de la transition. Parallèlementà ces activités expérimentales, une étude numérique, basée sur des analyses destabilité linéaire, a montré que l’effet moyen de la force volumique permettait d’atténuerune large gamme de fréquences d’ondes TS dans la couche limite et d’expliquer le reculde transition observé expérimentalement. En se concentrant sur l’effet moyen, une secondeexpérience a permis d’étudier l’influence de la position de l’actionneur ainsi quel’effet cumulatif de plusieurs actionneurs sur le recul de transition. / The boundary layer transition from a laminar to a turbulent state increases thewall friction drag. Particularly on future aircrafts, one way of reducing fuel consumption,and answering both an environmental and economic issue, consists in delaying the transitionfarther downstream. In this context, the aim of this work is to characterize the impactof Dielectric Barrier discharge (DBD) plasma actuators on the boundary layer transition.When powered with an alternative high voltage, these active actuators produce apulsed body force which is tangential to the wall and, under some conditions, enablesto modify the boundary layer mean velocity profiles to delay the transition. Under otherconditions, the unsteady body force amplifies modal instabilities (Tollmien-Schlichtingwaves) may destabilize the boundary layers, leading to a promoted transition. A first experimentenabled to highlight this competition between the stabilizing mean effect andthe destabilizing unsteady effect by measuring respectively a transition delay and a transitionpromotion. A numerical study based on local stability analyses wass conducted inparallel and showed that a wide frequency range of TS waves is damped by the mean bodyforce, which explains the transition delay. A second experiment, focusing on the mean effect,enabled to show the influence of the actuator position and the cumulative effect ofseveral actuators on the transition delay.

Zugl.: Berlin, Techn. Univ., Diss., 2009

Le bruit tonal rayonné au bord de fuite des profils à faible nombre de Reynolds est un phénomène observé sur les ailes de drones ou micro-drones qui sont utilisés partout dans la vie quotidienne. La diminution de ce bruit va augmenter la survivabilité et l'efficacité des appareils dans le domaine militaire. De plus, cela va augmenter le champ des applications civiles et minimiser la pollution par le bruit. La réduction efficace du bruit est indispensable et, par conséquent, une compréhension complète du processus de rayonnement du bruit tonal du profil est nécessaire. Malgré le fait que des essais dédiés aient été réalisés depuis les années 70, il reste beaucoup de détails à expliquer. Le travail présenté est dédié à une étude expérimentale et analytique du bruit tonal. C'est une partie de collaboration entre l'Ecole Centrale de Lyon et Embry- Riddle Aeronautical University. Le but est de réaliser une caractérisation exhaustive des paramètres acoustiques et aérodynamiques du bruit tonal de bord de fuite d'un profil et de produire une base de données qui pourra être utilisée pour valider les simulations numériques réalisées dans le futur. Le profil symétrique NACA-0012 ainsi que le profil asymétrique SD7003 ont été testés pour une série d'angles d'incidence (de -10° à 10°) dans la soufflerie anéchoïque à jet ouvert de l'Ecole Centrale de Lyon pour des nombres de Reynolds modérés (0.6x105 < Rec < 2.6x105). Les mesures de pression aux parois et de pression acoustique en champ lointain pour différentes configurations ont permis d'observer une structure en escalier de la signature du bruit, de déterminer quelle face du profil a produit le bruit et de distinguer le rôle de la boucle de rétroaction. Des techniques supplémentaires de post-traitement comme l'analyse temps-fréquence ont montré l'existence de plusieurs régimes (un régime de commutation entre deux états, un régime d'une seul fréquence et un régime à plusieurs fréquences) de l'émission de bruit. L'analyse de bi-cohérence a montré qu'il y a des couplages nonlinéaires entre les fréquences. Une étude par l'anémométrie à fil chaud et par des techniques de visualisation de l'écoulement a montré que la formation d'une bulle de décollement est une condition nécessaire mais pas suffisante pour la génération du bruit. De plus, la localisation de la bulle est aussi importante et elle doit être suffisamment proche du bord de fuite. En outre, l'analyse de stabilité linéaire des résultats de simulations numériques a montré que des ondes de Tollmien-Schlichting sont transformées en ondes de Kelvin-Helmholtz dans la zone du décollement. Une prédiction analytique de l'amplitude des fréquences pures émises dans le champ lointain a été effectuée sur la base du modèle d'Amiet en supposant que le champ de pression pariétal est bidimensionnel. Les mesures de pression proches du bord de fuite du profil ont été prises comme données d'entrée. Les amplitudes prédites sont globalement en accord avec les mesures acoustiques. Après l'analyse de tous les résultats la description suivante du processus de rayonnement de sons purs peut être proposée. Les ondes de Tollmien-Schlichting qui se développent initialement dans la couche limite se transforment en ondes de Kelvin-Helmholtz le long de la couche de cisaillement de la bulle de décollement. Au bord de fuite du profil elles sont converties en ondes acoustiques qui forment un couplage fort avec les instabilités de couche limite plus en amont de l'écoulement, pilotant elles-mêmes le déclenchement de ces instabilités. / The tonal trailing-edge noise generated by transitional airfoils is a topic of interest because of its wide area of applications. One of them is the Unmanned Air Vehicles operated at low Reynolds numbers which are widely used in our everyday life and have a lot of perspectives in future. The tonal noise reduction will increase the survivability and effectiveness of the devices in military field. Moreover it will enlarge the range of civil use and minimize noise pollution. The effective noise reduction is needed and therefore the complete understanding of the tonal noise generation process is necessary. Despite the fact that investigation of the trailing-edge noise was started since the seventies there are still a lot of details which should be explained. The present work is dedicated to the experimental and analytical investigation of the tonal noise and is a part of the collaboration project between Ecole Centrale de Lyon and Embry-Riddle Aerospace University. The aim is to conduct an exhaustive experimental characterization of the acoustic and aerodynamic parameters of the trailing-edge noise and to produce a data base which can be used for further numerical simulations conducted at Embry-Riddle Aerospace University. A symmetric NACA-0012 airfoil and a slightly cambered SD7003 airfoil at moderate angles of attack (varied from -10° à 10°) were tested in an open-jet anechoic wind tunnel of Ecole Centrale de Lyon at moderate Reynolds numbers (0.6x105 < Rec < 2.6x105). Measurements of the wall pressure and far-field acoustic pressure in different configurations allowed to observe the ladder-type structure of the noise signature, to determine which side produced tones and to distinguish the role of the acoustic feedback loop. Additional post-processing techniques such as time-frequency analysis showed the existence of several regimes (switching regime between two tones, one-tone regime and multiple-tones regime) of noise emission. The bicoherence analysis showed that there are non-linear relationships between tones. The investigation of the role of the separation area by hot-wire anemometry and flow visualization techniques showed that the separation bubble is a necessary but not a suficient condition for the noise generation. Moreover the location of the bubble is also important and should be close enough to the trailing edge. Furthermore the linear stability analysis of accompanying numerical simulation results showed that the Tollmien-Schlichting waves transform to the Kelvin-Helmholtz waves at the separation area. An analytical prediction of the tone levels in the far-field was done using Amiet's model based on the assumption of perfectly correlated sources along the span. The wall-pressure measurements close to the trailing edge were used as an input data. The comparisons of the predicted levels and measured ones showed a good agreement. After analysis of all results the following description of the tonal noise mechanism is proposed. At some initial point of the airfoil the Tollmien-Schlichting instabilities start. They are traveling downstream and continued to Kelvin-Helmholtz waves along the shear-layer of the separation bubble. These waves reach the trailing edge, scatter from it as acoustic waves, which move upstream. The acoustic waves amplify the boundary layer instabilities at some frequencies for which the phases of both motions match and creates the feedback loop needed to sustain the process.

No description available.

Diese numerische Arbeit untersucht, wie sich die laminar-turbulente Transition in der Grenzschicht einer ebenen Platte mit elektromagnetischen Kräften verzögern lässt. Erzeugt von einer Elektroden-Magnet-Anordnung in der Platte wirken jene Kräfte im wandnahen Bereich der Strömung. Sie sind wandparallel sowie stromab gerichtet und besitzen zwei Parameter, die Amplitude und die Eindringtiefe. Zwei- und dreidimensionale Direkte Numerische Simulationen, Grenzschichtgleichungslöser sowie lineare Stabilitätsanalyse werden eingesetzt, um zwei Ansätze der Transitionsverzögerung zu verfolgen: Zum einen die aktive Wellenauslöschung, bei der ankommende Grenzschichtinstabilitäten von gegenphasig angeregten Wellen bis zu 97% ausgelöscht werden. Zum anderen können elektromagnetische Kräfte die Grenzschicht beschleunigen und so zu deutlich stabilieren Grenzschichtprofilen führen. Über evolutionäre Optimierung wurde eine räumliche Verteilung von Eindringtiefe und Kraftamplitude gefunden, die den Energieeinsatz minimiert und gleichzeitig laminare Strömung sicherstellt; dennoch bliebt die energetische Effizienz der Beeinflussung unter Eins. / This numerical work investigates how electromagnetic forces may delay laminar-turbulent transition of a flat plate boundary layer. Generated by an array of electrodes and magnets flush mounted in the wall, those forces act within the wall-near flow. They are oriented in wall-parallel, downstream direction and are characterized by two parameters, namely amplitude and penetration depth. Two- and three-dimensional Direct Numerical Simulations, numerical solutions of boundary layer equations and linear stability analysis are applied to study two possible ways of transition delay: first, the so-called active wave cancellation, where an anti-wave cancels incoming boundary layer instabilities by up to 97%. A second option is have electromagnetic forces accelerate the boundary layer, thereby modifying its mean velocity profile for greatly enhanced stability. Using evolutionary optimization, a spatial distribution of force amplitude and penetration depth was obtained that maintains laminar flow while minimizing electrical power consumption of the actuator. However, the energetic efficiency of actuation remains less than unity.