Modifizierte Gurney-Flaps

Es werden unterschiedliche Konzepte untersucht, die helfen sollen, Instabilitäten im Nachlauf zu mindern und auf diese Weise den Widerstand zu minimieren. Eine derartige Maßnahme ist das Einbringen einer sog. Splitter-Plate hinter dem Gurney-Flap, (siehe Abb. ), die sich in experimentellen Untersuchungen für Zylinderumströmungen bereits als wirksam erwiesen hat [24].

Abbildung: Wirkung der Splitter-Plate bei einer Zylinderumströmung bei $Re=50000$.

Bei dieser Strömung kommt es typischerweise zur Ausbildung einer Wirbelstraße mit einer ausgeprägten dominanten Frequenz (absolute Instabilität). Diese ist in der Lage, der Strömung große Mengen Energie zu entziehen und über die Wirbelstruktur zu dissipieren, was letztendlich zu erhöhten Strömungswiderständen führt. Die Splitter-Plate soll den Impulsaustauch zwischen der oberen und der unteren Scherschicht verhindern, dadurch die Strukturen dämpfen und der Ausbildung einer Wirbelstraße entgegenwirken. Eigene numerische Untersuchungen bei $Re=50000$ ergeben einen deutlichen Effekt der Platte auf die Umströmung eines Kreiszylinders. Dabei konnte durch eine Splitter-Plate der Länge eines Zylinderdurchmessers der Charakter der Strömungsstrukturen insbesondere im nahen Nachlauf stark verändert und der Widerstand um $37\%$ vermindert werden.

Tabelle: Integrale Beiwerte bei Verwendung modifizierter Gurney-Flaps

				$c_a$		$c_a\,'$		$c_w$		$\frac{\Delta c_w}{\Delta c_{w,Gurney}}$		$St$
		HQ17		$0.635$		$0.0000$		$0.0080$				$0.121$
		Gurney ($1\%$)		$0.854$		$0.0054$		$0.0114$		$\pm 0$		$0.120$
		Splitter-Plate		$0.847$		$0.0084$		$0.0106$		$-24\%$		$0.114$
		zwei Stäbe		$0.846$		$0.0017$		$0.0104$		$-29\%$		$0.093$
		Nachlaufkörper		$0.829$		$0.0082$		$0.0089$		$-73\%$		$0.129$

Mit Hilfe der modifizierten Gurney-Flaps lassen sich die Strömungsstrukturen im Nachlauf beeinflussen. Ihre Wirkung auf die globalen Strömungsparameter ist in Tabelle zusammengefasst. Zwar führen alle hier untersuchten Varianten zu einem leichten Rückgang des Auftriebs, doch verglichen mit dem nackten Profil ist nach wie vor ein erheblicher Gewinn zu verzeichnen. Gleichzeitig gelingt es jedoch, die Strukturen im Nachlauf zu dämpfen und den mittleren Widerstandsbeiwert zu reduzieren. Als besonders effektiv stellt sich dabei das Einbringen eines Nachlaufkörpers in die Strömung hinter dem Gurney-Flap heraus, obwohl an der Unterseite der hier untersuchten Variante Rückströmungen auftreten und der Nachlaufkörper offenbar keine optimale Strömungsform aufweist (Abb. ). Dennoch lässt sich mit dieser Maßnahme der zusätzlich generierte Widerstand zu fast 3/4 eliminieren. Als etwas weniger effektiv erweisen sich die Splitter-Plate und vertikale Stäbe im Nachlauf. Die Analyse der Strömungsfelder macht deutlich, dass die Widerstandsreduzierung mit einer Verminderung der Wirbelstrukturen einhergeht.

Abbildung: Momentanbilder der Strukturen im Nachlauf modifizierter Gurney-Flaps, oben links: HQ17; oben rechts: 2D-Gurney-Flap ($h/c=1\%$); mitte links: Splitter-Plate; mitte rechts: zwei vertikale Stäbe; unten links: drei vertikale Stäbe; unten rechts: Nachlaufkörper.

Alternativ zu den bisher diskutierten zweidimensionalen Hinterkantenmodifikationen wird auch die Möglichkeit geprüft, durch dreidimensionale Varianten von Gurney-Flaps die Nachlaufströmung zu beeinflussen. Aufgrund des großen Rechenaufwands bei der Simulation derartiger Konfigurationen konzentrieren sich die Betrachtungen auf ein Gurney-Flap mit Schlitzen (siehe Abb. ). In Abbildung rechts zeigt sich, dass die zweidimensionale Strömungsstruktur des einfachen Gurney-Flaps durch die Schlitze erheblich gestört wird. Vor allem im Nachlauf des Schlitzes verschwinden die regelmäßigen Rollenstrukturen fast vollständig und es sind stattdessen unregelmäßige Wirbel zu erkennen, die keine einheitliche räumliche Ausrichtung mehr aufweisen. Infolgedessen lässt die Intensität dieser Wirbelsysteme stromab schnell nach und sie sind in der $\lambda_2$-Darstellung nach kurzen Lauflängen nicht mehr wahrzunehmen. Auf diesem Effekt beruht auch die Wirkung der Schlitze auf die im Experiment beobachtete Verminderung des aerodynamischen Widerstands.