Instationäre Strömungsstrukturen im Nachlauf

Untersucht werden die^M instationären Strömungsstrukturen im Nachlauf des HQ17-Profils bei kleinen Profilanstellwinkeln. Hier sind sie wesentlich deutlicher zu erkennen als bei hoher Anstellung, wo Wechselwirkungen mit anderen Ablösungen dominieren. Die Simulationen werden vor allem auf der Basis von Isoflächendarstellungen von Wirbelstärke und $\lambda_2$ ausgewertet. Die Größe $\lambda_2$, der zweitgrößte Eigenwert einer Kombination aus Scherraten- und Wirbeltensor, ist ein Indikator zur Lokalisierung von Wirbelkernen und kann gut zur visuellen Analyse von Strömungsstrukturen verwendet werden [23].

Abbildung: Momentanbilder der Strukturen im Nachlauf von Gurney-Flaps unterschiedlicher Höhe (Darstellung der Wirbelstärke); obere Zeile: $h/c=0.5\%$; mittlere Zeile: $h/c=1.5\%$; untere Zeile: $h/c=2.0\%$.

Abbildung zeigt die Strömung hinter Gurney-Flaps unterschiedlicher Länge anhand der Wirbelstärke. Dabei ist im wesentlichen für alle Fälle das gleiche typische Verhalten zu beobachten: Von Ober- und Unterseite des Gurney-Flaps lösen kontinuierlich Scherschichten ab. Diese beginnen sich nach kurzer Lauflänge aufzurollen und bilden alternierende Wirbel entgegengesetzter Drehrichtung. Aufgrund der stets nach unten gerichteten Abströmrichtung an der unteren Hinterkante dominieren die unteren Teilwirbel. Die sich ausbildenden Wirbelsysteme sind stabil und werden durch Konvektion transportiert, bis die Gitterauflösung nicht mehr ausreicht, um ihre Dissipation zu verhindern. Es zeigt sich, dass die Größe der Wirbel von der Höhe des Gurney-Flaps bestimmt wird. Wie in Abbildung zu erkennen ist, besteht allerdings keine Proportionalität, sondern die Größe der Wirbel wächst langsamer als die Höhe des Gurney-Flaps. Das gesamte Strömungsfeld wird von der Frequenz der Wirbelablösung dominiert. Die dafür charakteristische Strouhalzahl wird bezogen auf die Höhe $h$ angegeben, beim HQ17 ohne Gurney-Flap entspricht das der Hinterkantendicke. Durch die zeitliche Veränderung der Abströmrichtung oszilliert der Auftrieb in gleicher Weise wie die Wirbel ablösen. Tabelle zeigt, dass die Schwankungen im Auftriebsbeiwert, dargestellt in Form des RMS-Wertes $c_a\,'$, überproportional mit der Länge des Gurney-Flaps zunehmen. Ähnlich verhält sich auch der Widerstand. Im Vergleich zum Experiment, wo für das Profil mit Gurney-Flap ($h/c=0.1\%$) eine Strouhalzahl von $St=0.14$ gemessen wurde, wird die Frequenz leicht unterschätzt.

Abbildung: Momentanbilder der Strukturen im Nachlauf eines Gurney-Flaps mit $h/c=0.5\%$ bei unterschiedlicher Anstellung, obere Zeile: $\alpha=0^\circ$; mittlere Zeile: $\alpha=2^\circ$; untere Zeile: $\alpha=4^\circ$.

Für das Verständnis der Strömungsmechanismen im Nachlauf, ist es auch notwendig, die Charakteristik der Nachlaufstrukturen in Abhängigkeit vom Anstellwinkel zu erfassen. Es stellt sich heraus, dass der Anstellwinkel eine untergeordnete Rolle auf die sich ausbildenden Wirbelstrukturen spielt. In Abbildung sind für unterschiedliche Anstellungen die Strukturen hinter einem Gurney-Flap der Höhe $h/c=0.5\%$ dargestellt. Sie unterscheiden sich in Frequenz, Intensität und Größe kaum voneinander. Bei weiterer Vergrößerung des Anstellwinkels vermindert sich dann jedoch die Intensität der Wirbel und sie sind schließlich nicht mehr wahrnehmbar. Die Ursache dafür liegt in der immer stärker werdenden Asymmetrie zwischen oberer und unterer Grenzschicht, die die absolute Instabilität verschwinden lässt. Wird die Anstellung noch weiter erhöht, kommt es auf der Oberseite zu einer druckinduzierten Ablösung, deren Wirkung auf den Nachlauf diejenige des Gurney-Flaps überdeckt.