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STAtic and DYnamic piezo-driven streamWIse vortex generators for active flow COntrol

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Erzeugung kleiner Wirbel an großen Tragflügelflächen

Eine aktive Steuerung der Luftströmung über großen sich bewegenden Bauteilen kann die Verhaltensweisen in gezielten Anwendungen deutlich verbessern. Mit modernen Wirbelgeneratoren wird man den Luftstrom über Rotorblättern von Drehflüglern oder Windkraftanlagen verändern, um die Effizienz von deren Betrieb zu steigern.

Industrielle Technologien

Eine Justierung des Luftstroms über Hubschrauberblättern kann den Luftwiderstand, den Treibstoffverbrauch sowie Emissionen verringern. Im Falle von Rotorblättern für Windkraftanlagen kann eine aktive Strömungskontrolle maßgeblich zur Effizienzsteigerung der Stromerzeugung beitragen. Das EU-finanzierte Projekt STA-DY-WI-CO (Static and dynamic piezo-driven streamwise vortex generators for active flow control) setzte auf numerische Simulation und experimentelle Validierung, um aktive Strömungskontrolltechnologie für derartige Anwendungen zu entwickeln. Wirbelgeneratoren sind kleine, an den Tragflügeln angeordnete Vorrichtungen, die wirbelnde Bewegungen an der Grenzschicht (nahe der Tragflächenoberfläche) erzeugen, um Strömungsablösungen zu vermeiden, die dann auftreten, wenn der Luftstrom nicht der Oberfläche folgen kann. Das Team konzentrierte sich auf einen Wirbelerzeuger auf Basis eines mikroelektromechanischen Systemaktors aus einer piezoelektrischen Membran. Piezoelektrische Materialien erzeugen in Reaktion auf ein angelegtes elektrisches Signal eine physikalische Verschiebung. Vorhergehende numerische Modelle ermöglichten den Entwurf von zwei Aktoren; und die Wirbelgeneratoren wurden dann in Windkanaltests geprüft. Die experimentellen Ergebnisse bestätigten das Potenzial zur Eindämmung von Strömungsablösungen. Angesichts des sehr geringen Gewichts und niedrigen Energieverbrauchs der piezoelektrischen Aktoren sind sie sehr gut dazu geeignet, den Luftwiderstand und den Treibstoffverbrauch zu verringern. Die Forscher führten außerdem Akustik- und Gleichlaufanalysen durch, wobei sich letztere auf flatternde, schnelle und unregelmäßige Bewegungen von Drehflüglerblättern beziehen, die dynamische Instabilität entstehen lassen. Simulationen bewiesen, dass ein akustisches Analyseinstrument die Nahfeld-Schallwellenausbreitung erfassen kann, und dass mit ihm die Hauptbeitragenden des Lärmpegels zu lokalisieren sind. Eine erweiterte Flatteranalyse auf Basis numerischer Strömungsmechanik bestätigte, dass eine wirkungslose Luftstromkontrolle zu instabilem Flattern führt, das die Lebensdauer des Rotorblatts verkürzt. In weiteren Untersuchungen wurde ein rotierender Maschinenprüfstand in Verbindung mit numerischen Modellen dazu verwendet, die Strukturdynamik nichtlinearer Systeme zu bewerten. Als Resultat dessen ermittelte das Team nichtlineare Dämpfungs- und Steifigkeitseigenschaften. Alle Modelle aus Teilkomponenten wurden zu einer numerischen Plattform zusammengefasst und in einen leistungsfähigen Supercomputer implementiert. Das STA-DY-WI-CO-Projekt hat den Entwicklern der nächsten Generation von Rotorblättern für Luftfahrzeuge und Windkraftanlagen eine Technologie zur aktiven Strömungskontrolle sowie den leistungsfähigen multiphysikalischen Simulationscode dafür geliefert. Die Technologien werden Treibstoffverbrauch, Emissionen und Lärm beim Hubschrauberfliegen reduzieren und den Wirkungsgrad der Stromerzeugung erhöhen.

Schlüsselbegriffe

Luftstrom, Wirbelgeneratoren, Windturbinenschaufeln, Rotorblätter für Drehflügler, aktive Strömungskontrolle, Active Flow Control, piezoelektrisch

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