Airfoil Drag with Uniform Blowing in Turbulent Boundary Layers

Die vorliegende Arbeit zeigt einen Weg zur vollständigen Widerstandbewertung der aktiven Strömungskontrolle des uniformen, wandnormalen Ausblasens in turbulenten Grenzschichten auf. Analytische Untersuchungen der Impuls- und Energiebilanz ergeben den theoretisch notwendigen Aufwand zum Betrieb der Grenzschichtkontrolle und wie diese Information im Nachlauffeld des Körpers enthalten ist. Dabei wird der Begriff des Gesamtwiderstands, inclusive drag, eingeführt. Dieser beschreibt die Summe aus der tatsächlichen Widerstandskraft am Körper, dem body drag, zuzüglich des theoretisch unvermeidbaren Aufwands für den Betrieb der Grenzschichtkontrolle, der boundary layer control penalty. ... mehrMit Hilfe numerischer Reynolds-averaged Navier-Stokes-Gleichungen werden die Parameterfelder von Tragflächenströmungen mit uniformen, wandnormalen Ausblasen untersucht, um allgemeine Trends und Abhängigkeiten zu ermitteln. Es zeigt sich, dass die Widerstandsreduktion mit einem negativen Druckgradienten und einem höheren
statischen Druck innerhalb der Region, in der die Kontrolle angewendet wird, zunimmt. Bezogen auf Tragflügelströmungen bedeutet dies, dass Ausblasen auf der Druckseite des Profils besonders günstig ist, was zusätzlich von mittleren bis hohen Auftriebsbeiwerten gewölbter, dünner Profile profitiert. Anschließend werden experimentelle Untersuchungen durchgeführt, die v.a. diesen Parameterbereich untersuchen und die numerisch gefundenen Trends bestätigen. Weiterhin wird gezeigt, dass die Trennung von inclusive drag und body drag frühere Widersprüche in der Übereinstimmung von numerischen und experimentellen Studien auflöst. Stattdessen wird festgestellt, dass die physikalische Umsetzung des uniformen, wandnormalen Ausblasens — oft als microblowing technique bezeichnet — eine Leistung erbringt, die den Ergebnissen ideal gleichmäßiger Ausblasung numerischer Simulationen nahe kommt. Insgesamt kann uniformes, wandnormales Ausblasen eine starke Reduktion der Widerstandskraft am Körper bewirken. Der theoretische Gesamtwiderstand — inclusive drag — steigt jedoch bei allen numerischen und experimentellen Untersuchungen ausnahmslos an. Auf Basis der Ergebnisse der vorliegenden Arbeit erscheint es daher unwahrscheinlich, dass eine Reduzierung des Gesamtwiderstands mittels uniformen, wandnormalen Ausblasens in turbulenten Grenzschichten möglich ist, insofern die Grenzschichtkontrolle allein ohne Kombination mit anderen Grenzschichtkontrollen eingesetzt wird.

The present work closes a gap in understanding the performance evaluation of the active flow control scheme of uniform blowing in turbulent boundary layers. Analytical investigations of the momentum and energy budgets reveal the nature of the theoretically necessary effort to operate the boundary layer control scheme and how this manifests in the wake of the body. By this, the term of the inclusive drag is introduced which resembles the actual drag force on the body — the body drag — plus the theoretically unavoidable effort to operate the control: the boundary layer control penalty. ... mehrNumerical Reynolds-averaged Navier-Stokes equations are employed to explore the parameter field of airfoil flows with uniform blowing control to find general trends and dependencies. It is found that the control performance increases with a favorable pressure gradient and higher static pressure within the region where the control is applied. In terms of airfoil flows, this means that uniform blowing on the pressure side of the airfoil has a high performance which additionally benefits from medium to high lift coefficients and cambered, thin airfoils. Subsequently, this parameter set is also employed for experimental investigations which verify these trends. Furthermore, it is shown that the separation of inclusive drag and body drag resolves former contradictions
in the agreement of numerical and experimental studies. Instead, it is found, that the physical implementation of uniform blowing — often called microblowing technique — performs close to the results of ideally uniform numerical simulations. Overall, uniform blowing can be employed successfully to achieve strong body drag reduction but fails in reducing the inclusive drag in the present study by a significant margin. Therefore, uniform blowing seems unsuitable for achieving a net drag reduction in the present implementation as a stand-alone boundary layer control scheme.