Instationäre Wellenphänomene bei der Profilumströmung im Transschall

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist eine experimentelle Untersuchung instationärer Strömungsvorgänge bei der transsonischen Profilumströmung. Den Schwerpunkt bildet die Untersuchung von stromauf laufenden Wellen, die ihren Ursprung an der Hinterkante und im Nachlauf haben und ein hohes Maß an Instationarität besitzen. Dabei stand die Wechselwirkung dieser Wellen mit der Außenströmung wie auch der Grenzschicht im Vordergrund. Die Untersuchungen wurden in einem Stoßrohr-Transschallkanal durchgeführt. Untersucht wurde das Phänomen hauptsächlich an einem überkritischen BAC3-11 Profilmodell mit scharfer Hinterkante. Mithilfe der zeitaufgelösten Schattenaufnahmen konnten die Frequenzen und Geschwindigkeiten der stromauf laufenden Wellen bestimmt werden. Aufgrund des beobachteten Verdichtungsprozesses der Wellen nahe des Dickenmaximums des Profils sowie der Abschwächung weiter stromauf nahe der Vorderkante, verlagert sich die Dominanz der Wellenfrequenz dementsprechend entlang des Profils. Während nahe der Hinterkante schwache hochfrequente Wellen (20 bis 30 kHz) beobachtet werden, liegt die Dominanz weiter stromauf in dem Frequenzbereich 1 bis 2 kHz. Des Weiteren konnte mittels der Kreuzkorrelation der Schattenaufnahmen der Verlauf der Wellengeschwindigkeit im mittleren Profilbereich ermittelt werden. Die Auswertung der Druckschriebe auf der Profiloberseite ergab dominante Frequenzen im Bereich von 1 bis 2 kHz. Diese sind in guter Übereinstimmung mit den erhaltenen Frequenzen aus den Schattenaufnahmen. Mithilfe einer Wavelet Analyse der Drucksignale konnte die Instationarität der Wellen besser verfolgt werden. Durch die Anwendung des Autokorrelationsalgorithmus auf die Wavelet-Transformierten der Sensorsignale konnte die Selbstähnlichkeit der Signale und damit die Periodizität im gesamten interessierenden Frequenzbereich untersucht werden. Die Entwicklung kohärenter, periodischer Strukturen konnte verfolgt werden. Die Berechnung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Druckwellen mittels klassischer Kreuzkorrelation wurde durch die Anwendung der Kreuzkorrelation auf die Wavelet- Transformierten der Sensorsignale erweitert und lieferte die Geschwindigkeitsverteilung entlang der Profiltiefe in Abhängigkeit von der Frequenz. Die bestimmte Wellenmachzahl von 1,05 zeigt, dass diese Wellen schwache Stöße darstellen. Während im untersuchten Bereich der Reynoldszahleinfluss auf die Wellen zu vernachlässigen ist, nimmt die Wellengeschwindigkeit mit zunehmender Machzahl relativ zum Profil ab bzw. -intensität zu. Es wurde kein signifikanter Einfluss beider Kennzahlen auf das Vorhandensein der dominanten Wellenfrequenzen festgestellt. Zwei Arten der Wellen/Stoß-Wechselwirkung wurden beobachtet. Bei einem schwachen Stoß wurde infolge der Wechselwirkung mit den Wellen dieser zeitweise aufgefächert und somit abgeschwächt. Mit steigender Machzahl nimmt auch die Stoßstärke zu und es wurde keine Stoßabschwächung infolge der Wellenwechselwirkung beobachtet. Hierbei setzt u. U. das Buffet (Stoßschwingung) ein. Des Weiteren verhindert der Stoß die direkte Wellenausbreitung stromauf. In diesem Fall breiten sich die Wellen im Unterschallfeld um den Stoß herum aus und erzeugen dabei an der Schalllinie Störungen, „Pseudowellen“, die sich im Überschallfeld scheinbar stromauf bewegen.