Natural Laminar Flow Airfoil Behavior in Cruise Flight through Atmospheric Turbulence

218 Pages·2014·11.5 MB·English

Natural Laminar Flow Airfoil Behavior in Cruise
Flight through Atmospheric Turbulence
Vom Fachbereich Maschinenbau
an der Technischen Universität Darmstadt
zur
Erlangung des Grades eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.)
genehmigte
D i s s e r t a t i o n
vorgelegt von
Dipl.-Ing. Andreas Daniel Reeh
aus Lich
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. C. Tropea
Mitberichterstatter: Prof. E. B. White
Tag der Einreichung: 05.05.2014
Tag der mündlichen Prüfung: 25.06.2014
Darmstadt 2014
D17

Hiermit versichere ich, die vorliegende Doktorarbeit unter
der Betreuung von Prof. Dr.-Ing. C. Tropea nur mit den
angegebenenHilfsmittelnselbständigangefertigtzuhaben.
Darmstadt, den 05.05.2014

Abstract
Atmospheric turbulence is encountered frequently in flight. It creates on-
coming flow disturbances for aircraft passing through turbulent zones. For
naturallaminarflowairfoilssuchconditionsarepotentiallydetrimentalsince
theirgoalofmaximizinglaminarflowmaybecounteractedbyincreaseddis-
turbance levels. In this study the flow behavior of a natural laminar flow
wingsectionisinvestigatedinglidingflightexperimentsundercalmandlight
to moderately turbulent conditions.
A comprehensive measurement platform is integrated into a motorized
glidertoobtaininsightsintotheflowprocessesactingonalaminarwingglove
in cruise flight. Simultaneous measurements of characteristic airfoil quan-
tities enable important correlations with the oncoming flow disturbances.
To develop a comprehensive understanding for flight through turbulence,
boundary-layer transition is investigated in detail under calm conditions.
Differences of the transition behavior between the upper and the lower side
of the airfoil are demonstrated. New insight into the weakly nonlinear tran-
sition stage in a low disturbance environment is presented.
Duetotherandomnatureofatmosphericturbulence,characteristicresults
under moderately turbulent conditions are presented as case studies. This
enablesacompleteexaminationofthetime-varyingboundaryconditions,the
inviscidfloweffectsandtheboundary-layerresponsetotheturbulentforcing.
Itisshownthatalltheseprocessesinteractwitheachother. Furthermore,it
is demonstrated that the unsteadiness of the oncoming flow assumes an im-
portantroleinthelaminar-turbulenttransitionprocessoftheairfoilbound-
ary layer. On the lower side of the airfoil significant and rapid upstream
fluctuationsoftransitionareverifiedundermoderatelyturbulentconditions.
It is shown that these fluctuations are driven by the time-varying pressure
gradientandthattransitionisinitiatedbyTollmien-Schlichtingwaves. Indi-
cations for a premature transition behavior under such unsteady conditions
arepresented, whichcanonlypartiallybeexplainedbyunsteadydistortions
of the boundary layer. The experimental observations are complemented
by numerical investigations employing unsteady panel and boundary-layer
methods as well as quasi-steady linear stability theory.
i

Kurzfassung
Atmosphärische Turbulenz macht sich im Flug als Störung der Anströmung
bemerkbar. Solche Bedingungen können die Leistung von Laminarprofilen
beeinträchtigen, deren Auslegungsziel eine möglichst weit laminar gehaltene
Grenzschichtist. DiesesZielwirdpotentielldurchdaserhöhteStörungsniveau
beeinträchtigt. In dieser Arbeit wird daher das Strömungsverhalten eines
Laminarprofils im Gleitflug unter ruhigen und leicht bis moderat turbulen-
ten Bedingungen untersucht.
Eine umfangreiche Messplattform, integriert in einen Motorsegler, wird
genutzt, um Einblicke in die Strömungsprozesse an einem Flügelhandschuh
unterReiseflugbedingungenzugewinnen. SimultaneMessungendercharak-
teristischen aerodynamischen Profilgrößen ermöglichen die Korrelation mit
denStörungeninderAnströmung. UmeinbesseresVerständnisfürdenFlug
durch Turbulenz zu entwickeln, wird die Grenzschichttransition zunächst
detailliert unter ruhigen Bedingungen untersucht. Dabei zeigen sich Unter-
schiede im Transitionsverhalten zwischen der Ober- und der Unterseite des
Profils. Neue Erkenntnisse über die schwach nichtlineare Phase der Gren-
zschichttransition in einer störungsarmen Umgebung werden vorgestellt.
Aufgrund der zufälligen Natur atmosphärischer Turbulenz erfolgt die Be-
trachtung der Ergebnisse moderat turbulenter Bedingungen als Fallstudien.
Dies ermöglicht eine umfassende Untersuchung zeitabhängiger Randbedin-
gungen, reibungsfreier Profileffekte und des Antwortverhaltens der Gren-
zschichtaufdieturbulenteAnregung. DieInteraktionalldieserEffektewird
ersichtlich. DiewichtigeRollederInstationaritätderAnströmungimTransi-
tionsprozessderProfilgrenzschichtwirddemonstriert. Untermoderatturbu-
lentenBedingungenwerdenstarke,kurzfristigeFluktuationenderTransition
entgegenderHauptströmungsrichtungaufderProfilunterseitedetektiert. Es
zeigt sich, dass die Transition durch Tollmien-Schlichting Wellen eingeleitet
wird. Daneben werden Anzeichen für eine frühzeitige Transition erfasst,
die nur teilweise auf die instationären Veränderungen der Grenzschichtpro-
file zurückzuführen sind. Die experimentellen Ergebnisse werden ergänzt
durch numerische Untersuchungen unter Verwendung instationärer Panel-
und Grenzschichtmethoden, sowie der linearen Stabilitätstheorie.
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Acknowledgements
This research was supported by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (Ger-
man Research Foundation) under the grant TR 194/48-1.
First of all I would like to acknowledge the support and the guidance of
Prof. Dr.-Ing. CameronTropeathroughoutmystudiesandmyemployment
asadoctoralresearcheroftheInstituteofFluidMechanicsandAerodynam-
icsattheTechnischeUniversitätDarmstadt. IwouldalsoliketothankProf.
EdwardB.WhitefromTexasA&MUniversityforhisinterestinthepresent
work and for refereeing this thesis. I am particularly grateful to Dipl.-Ing.
Andreas Güttler, Dipl.-Ing. Lars Opfer, Dr.-Ing. Alexander Duchmann and
Dr.-Ing. JochenKriegseis. Theysupportedandencouragedmeinallphases
of the project. I am indebted to Dr. rer. nat Hubert Marschall who taught
me a great deal about fluid mechanics.
Furthermore, I would like to acknowledge Dr.-Ing. Wilm Friedrichs, Dr.-
Ing. Michael Weismüller and Dipl.-Ing. Martin Stenger for their help and
advice related to the flight experiments. I would like to thank Dr. Werner
Würz and Dipl.-Ing. Benjamin Plogmann from IAG Stuttgart for the fruit-
ful discussions on laminar-turbulent transition, which further propelled my
research interest. Without the help of my students the comprehensive flight
experiments would not have been possible. The list is a long one: Daniel
Wolfram, Michael Köhler, Thiago Weber Martins, Paul Taubert, Axel Diet-
rich, Tim Hartmann, Jonas Schulze, Fabian Tenzer, Marcel Bonnert, Rene
Cabos,OxanaIonnikovaandTobiasHofmann. Theexcellentworkingatmo-
sphere at the wind-tunnel facilities in Griesheim has always been motivat-
ing, foremost due to the presence of my colleagues. The success of the flight
testswasinlargepartduetosupportoftheelectronicsworkshopheadedby
MartinWeißandthemechanicalworkshopheadedbyIlonaKaufhold. Klaus
Hufnagel,MatthiasQuadeandBerndBraunassistedinthesolutionofprob-
lems. StephanieLathhasalwaysbeengreathelpintheprojectorganization.
Thanks to Tim Prangemeier and Karl Anton Frank for the proofreading.
Finally, I would like to express my deepest gratitude to the love, encour-
agement and support I have received over the years from my parents, my
grandparents and from Claudia.
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