Design of Adaptive Wing Sections with Natural Transition Von der Fakult¨at fu¨r Maschinenwesen der Rheinisch–Westf¨alischen Technischen Hochschule Aachen zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften genehmigte Dissertation vorgelegt von Alexander Meijering aus Katwijk (ZH), Niederlande Berichter: Universit¨atsprofessor Dr.-Ing. Wolfgang Schr¨oder Universit¨atsprofessor Dr.-Ing. Dieter Jacob Tag der mu¨ndlichen Pru¨fung: 27.03.2003 D 82 (Diss. RWTH Aachen) Berichte aus der Strömungstechnik Alexander Meijering Design of Adaptive Wing Sections with Natural Transition . D 82 (Diss. RWTH Aachen) Shaker Verlag Aachen 2003 Bibliographic information published by Die Deutsche Bibliothek Die Deutsche Bibliothek lists this publication in the Deutsche Nationalbibliografie; detailed bibliographic data is available in the internet at http://dnb.ddb.de. Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2003 . Copyright Shaker Verlag 2003 All rights reserved. No part of this publication may be reproduced, stored in a retrieval system, or transmitted, in any form or by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording or otherwise, without the prior permission of the publishers. Printed in Germany. ISBN 3-8322-2265-0 ISSN 0945-2230 Shaker Verlag GmbH • P.O. BOX 101818 • D-52018 Aachen Phone: 0049/2407/9596-0 • Telefax: 0049/2407/9596-9 Internet: www.shaker.de • eMail: [email protected] Mijnouders Vorwort Diese Arbeit entstand w¨ahrend meiner T¨atigkeit als wissenschaftlicher Angestellter am Aero- dynamischen Institut der RWTH-Aachen und wurde im Rahmen des von der Deutschen For- schungsgemeinschaftfinanziertenSonderforschungsbereichs401initiiert. Herrn Professor Dr.-Ing. Wolfgang Schr¨oder gilt mein besonderer Dank fu¨r die wissenschaft- lichen Anregungen, seine stete Diskussionsbereitschaft und die wissenschaftliche Bet¨atigungs- freiheit. Herrn Professor Dr.-Ing. Dieter Jacob danke ich fu¨r die U¨bernahme des Koreferates unddasderArbeitentgegengebrachteInteresse. Fu¨rdieF¨orderungderArbeitdankeichHerrn Dr.rer.nat.WolframLimberg. Frau Dr.-Ing. Cornelia Hillenherms danke ich fu¨r die ausgezeichnete Zusammenarbeit bei der Erweiterung der Messwerterfassungstechnik und dem Aufbau der Steuerungs- und Auswerte- softwareamtrisonikWindkanalsowiefu¨rdiesteteDiskussionsbereitschaft. DenHerren Dr.-Ing. Guido Dietz, Stefan M¨ahlmann, Dr.-Ing. Matthias Meinke, Dr.-Ing. Andreas Henze, Dr.-Ing. EhabFares undIngolf H¨orschlerbinichfu¨rihrewertvollenRatschl¨age, konstruktive KritikundUnterstu¨tzung,dieSiemirentgegenbrachten,sehrdankbar. BeidenHerrenThomas Mu¨ller,ZsoltBaloghundMartinSindermannm¨ochteichmichstellvertretendfu¨ralleStudien- undDiplomarbeitersowiestudentischenHilfskr¨aftebedanken. DesWeiterenbedankeichmichstellvertretendfu¨rdiemechanischeWerkstattbeidenHerren Karl-HeinzRadermacher,HansKreutzundStefanBaumann,diemichbeiderEntwicklungdes adaptivenTragflu¨gelprofilmodellsunterstu¨tzthaben. Meinen Eltern bin ich besonders dankbar, da sie mich stets in meinen Entscheidungen un- terstu¨tzthaben. NichtzuletztgiltmeinDankmeinerFrauClaudiafu¨rihrenZuspruchundihr Verst¨andnis. Mu¨nchen,inNovember2003. AlexanderMeijering i Contents Abstract/U¨bersicht. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iv Nomenclature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v 1 Introduction 1 2 Previous Research and Problem Definition 7 2.1 Laminar-TurbulentTransition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.1.1 TransitionPrediction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.1.2 LaminarizationConcepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.2 Shock/Boundary-LayerInterference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.3 AerodynamicCharacteristicsofAirfoilSections . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.4 FlowControlbyAdaptiveShapeVariation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.5 AerodynamicOptimization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.6 ObjectivesofthisWork. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3 Aerodynamic Shape Design 23 3.1 FormulationoftheOptimizationProblem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.2 EvolutionStrategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.2.1 ValidationoftheOptimizationAlgorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.3 ConstrainedAirfoilDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.3.1 ImplementationofConstraints. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.3.2 AirfoilShapeParameterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.4 NumericalFlowSimulationMethods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.4.1 MathematicalFormulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.4.2 Viscous-InviscidMethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.4.3 FieldofApplicationofeachFlowComputationApproach. . . . . . . . . 46 ii Contents 4 Test Facility and Models 49 4.1 TrisonicWindTunnel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.1.1 AdaptiveWallTestSection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.1.2 FlowQualityoftheTestSection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4.2 WindTunnelModels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 4.2.1 RigidWingSectionModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.2.2 AdaptiveWingSectionModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 5 Measurement Techniques 65 5.1 AcquisitionoftheAerodynamicCoefficients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 5.2 TransitionLocationandSeparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.2.1 Hot-FilmTechnique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.2.2 Liquid-CrystalCoatingTechnique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 5.3 FlowVisualization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 5.3.1 OilPatternVisualization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 5.3.2 OpticalFlowVisualization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 5.4 DeterminationoftheMassFluxandPressureFluctuations . . . . . . . . . . . . 75 5.4.1 Hot-WireTechnique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 5.4.2 Pitot-PressureTechnique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 5.5 WindTunnelControlandDataAcquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 6 Results for the Rigid Surface Airfoil 81 6.1 ComparisonoftheExperimentalandNumericalMethods . . . . . . . . . . . . . 81 6.2 SubsonicLaminarSeparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 6.3 Shock-FreeTransition. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 6.4 Shock/Boundary-LayerInteraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 7 Numerical Airfoil Shape Optimization 95 7.1 DeterminationofthePopulationSize . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 7.2 DeterminationoftheShapeParameterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 7.3 One-PointAirfoilDesigns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 7.3.1 AirfoilDesignatSubsonicSpeeds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 7.3.2 AirfoilDesignatTransonicSpeeds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103