Unterdrückung vom Turbulenzen durch aktive Steuerung
Die Luftströmung in der Flugzeugumgebung wird mathematisch durch drei Komponenten bestehend aus einer mittleren Strömung, einer dynamischen, jedoch periodischen Komponente und einer zufälligen Turbulenzkomponente, für die Reynoldsspannungen bestimmt sind, beschrieben. Ein Großteil der Arbeiten zum "Bändigen" von Turbulenzen mit dem Ziel, die Oberflächenreibung zu mindern, konzentriert sich auf Änderungen in der mittleren Strömung, die wiederum zu Änderungen der Reynoldsspannungen führen. Chinesische und europäische Forscher gründeten das EU-finanzierte Projekt "Manipulation of Reynolds stress for separation control and drag reduction" (MARS), um das Problem auf andere Weise zu untersuchen. Sie konzentrierten sich auf die Auswirkungen einer aktiven Strömungssteuerung auf die periodische Komponente. Dieser grundlegend neue Ansatz erlaubt es ihnen, die einzelne dynamische Strukturen zu steuern, die im Umfang größer und in der Frequenz niedriger sind als die turbulenten Scherschichten. Die Leistung von Steuerungsgeräten, wie Plasmaantrieben und oszillierendne Oberflächen auf dynamischen Strukturen, die die Reynoldsspannung beeinflussen, wurde in Windkanalaufbauten erforscht. Eine Detached Eddy Simulation sowie Reynolds-gemittelte Navier-Stokes-Modelle boten Einblicke in kritische Strömungsparameter. Experimentelle Untersuchungen und numerische Simulationen ergänzten einander, sodass Strömungsdetails gewonnen werden konnten. Unter bestimmten Bedingungen wurde eine instationäre Strömung erreicht. Der Einfluss der periodischen Komponente auf Reynoldsspannungsturbulenzen wurde untersucht. Die Erkenntnisse boten den MARS-Forschern ein besseres Verständnis der Auswirkungen der Strömungssteuerung auf Reynoldsspannungsturbulenzen. Diese sind für einen Großteil des Impulsübertrags in turbulenten Strömungen (durch Wände begrenzt) verantwortlich und sind der Schlüssel zur Oberflächenreibung. Darüber hinaus identifizierten die MARS-Forscher mögliche Geräte, die weiter entwickelt werden können, um die Oberflächenreibung und dabei den Luftwiderstand, der der Bewegung des Flugzeugs entgegensteht, unter echten Flugbedingungen effektiv zu mindern. Die nächste Generation von Geräten zur aktiven Strömungssteuerung könnte einen effizienteren Flugverkehr mit weniger Emissionen von schädlichen Gasen in die Umwelt sicherstellen.
Schlüsselbegriffe
Turbulenz, Strömungssteuerung, aerodynamische Leistung, Reynoldsspannung, Verringerung des Luftwiderstandes
