Dynamic Stall an einem Hubschrauberrotorblatt umfasst eine Reihe komplexer aerodynamischer Phänomene als Antwort auf eine instationäre Änderung des Blattanstellwinkels. Es geht einher mit einer Auftriebserhöhung und einer Verzögerung des Auftretens massiver Strömungsablösung im Vergleich zum statischen Auftriebsverhalten in dieser Arbeit wurde die Strömung um ein schwingendes DA209 Rotorblattprofil unter Dynamic Stall-Bedingungen mit Hilfe instationärer Oberflächendruckmessungen und zeitaufgelöster Particle Image Velocimetry untersucht. Die charakteristischen Eigenschaften des Strömungsfeldes wurden identifiziert und analysiert mit Hilfe einer Kombination eines Eulerschen Wirbelachsendetektionsverfahrens, einer Langrangeschen Strukturextraktion und einer Karhunen-Loeve-Zerlegung des Geschwindigkeitsfeldes. Anhand dieser Methoden wurden die Dynamik und die Interaktion der Wirbelstrukturen während eines Dynamic Stall-Zyklus untersucht und die instationäre Entwicklung der Strömung in fünf Stufen gegliedert: anliegende Strömung, Entwicklung des Strömungsabrisses, Einsetzen des Strömungsabrisses, abgelöste Strömung und Wiederanlegen der Strömung. Darüber hinaus wurde das Einsetzen des Strömungsabrisses anhand einer charakteristischen Mode der Karhunen-Loeve-Zerlegung des Strömungsfeldes direkt bestimmt. Die der Bildung des primären Dynamic Stall-Wirbels zu Grunde liegenden physikalischen Mechanismen wurden als das Ablösen und das anschließende Einrollen der Scherschicht zwischen freier Außenströmung und der Rückströmung nahe der Profiloberfläche identifiziert. Im untersuchten Parameterbereich dieser Arbeit wird Dynamic Stall daher nicht durch die laminare Ablöseblase an der Profilvorderkante ausgelöst. Die Entwicklung des Strömungsabrisses konnte des Weiteren in zwei Phasen unterteilt werden, bezeichnet als Phase primärer Instabilität und Phase sekundärer Instabilität beziehungsweise Wirbelbildungsphase. Es wurde festgestellt, das die Verzögerung des Auftretens des Strömungsabrisses auf Grund der primären Instabilität mit zunehmender Instationarität des Profils abnimmt, die durch die Phase der Wirbelbildung hervorgerufene Verzögerung aber unabhängig von der Dynamik des Profils ist. Abschließend wurde auch das für Dynamic Stall charakteristische großskalige Wirbelablösen untersucht. Die starken Fluktuationen der aerodynamischen Lasten während des abgelösten Teils des Zyklus wurden direkt mit der Konvektion der kohärenten Strukturen über der Modelloberfläche in Zusammenhang gebracht.

    Dynamic stall on a helicopter rotor blade comprises a series of complex aerodynamic phenomena in response to the unsteady change of the blades angle of attack. It is accompanied by a lift overshoot and delayed massive flow separation with respect to static stall. The flow over an oscillating DA209 airfoil under dynamic stall conditions was investigated in a wind-tunnel by means of unsteady surface pressure measurements and time-resolved particle image velocimetry. The characteristic features of the flow field were identified and analysed utilising a combination of an Eulerian vortex centre allocation procedure, a Lagrangian approach based on Lyapunov exponents, and a proper orthogonal decomposition of the velocity field. Based on the complementary information obtained by these methods the dynamics and interaction of vortical structures were analysed within a single dynamic stall life cycle leading to a classification of the unsteady flow development into five successive stages: the attached flow stage, the stall development stage, stall onset, the stalled stage and flow reattachment. The onset of dynamic stall was specified based on a characteristic mode of the proper orthogonal decomposition of the velocity field. Furthermore, the physical mechanisms heralding the formation of the primary dynamic stall vortex were identified as the emergence and subsequent roll up of a shear layer at the interface between the free stream and the reversing flow near the airfoils surface. Hence, for the parameter span relevant to this work, dynamic stall was not triggered by the bursting of the leading edge laminar separation bubble. The stall development stage was subdivided into two parts, denoted the primary instability stage and secondary instability or vortex formation stage referring to the respective behaviour of the shear layer. The dynamic stall time delay associated with the primary instability stage was found to decrease with increasing airfoil unsteadiness. The delay attributed to the latter part of the stall development was observed to be unaffected by variations in the airfoils dynamics. Finally, the charaeteristic large-scale vortex shedding ensuing the stall onset was examined. The strong fluetuations of the aerodynamic load coetficients during the stalled part of the cycle were directly related to the convection of coherent structures over the airfoils surface.


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    Titel :

    On the coherent structures behind the phenomenon of dynamic stall


    Beteiligte:


    Erscheinungsdatum :

    2010


    Format / Umfang :

    156 Seiten, 56 Bilder, 5 Tabellen, 141 Quellen



    Medientyp :

    Hochschulschrift


    Format :

    Print


    Sprache :

    Englisch