Table Of ContentDesign 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
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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
.
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Printed in Germany.
ISBN 3-8322-2265-0
ISSN 0945-2230
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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
