Closed-loop control of separated shear flows by active means

Die aktive Beeinflussung abgelöster Strömungen ist schon lange Gegenstand akademischer und industrieller Forschung. In den letzten Jahren erfolgte dabei immer häufiger auch der Einsatz regelungstechnischer Methoden, da diese zur Steigerung der Beeinflussungsgüte beitragen, indem z.B. Störungen kompensiert werden. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf den Aufbau und die praktische Anwendung regelungstechnischer Methoden zur aktiven Beeinflussung abgelöster Strömungen an einfachen Strömungskonfigurationen. Dazu zählen eine rückwärts gewandte Stufe, ein zweidimensionaler stumpfer Körper, eine Tandemkonfiguration bestehend aus zwei stumpfen Körpern und ein dreidimensionales generisches Kraftfahrzeugmodell (Ahmed Körper). Den Schwerpunkt bilden die beiden erstgenannten Konfigurationen, für die neben der regelungstechnischen Bearbeitung auch zum Teil umfangreiche strömungsmechanische Untersuchungen durchgeführt werden. Die aufgebauten Regelungen werden experimentell im Windkanal validiert und anschließend analysiert. An der turbulent abgelösten Strömung über eine rückwärts gewandte Stufe wird der Aufbau einer robusten Ein- und Mehrgrößenregelung gezeigt, die das Ziel hat, die Wiederanlegelänge zu regeln. Die bekannte aktive Beeinflussungsmethode bedient sich der harmonischen, monofrequenten Anregung der Kelvin-Helmholtz-Scherschichtinstabilität über einen segmentierten Schlitz an der Stufenkante. Im Eingrößenfall erfolgt die Anregung mit einer spannweitig gleichverteilten Intensität, wohingegen im Mehrgrößenfall gezielt 2D Strukturen der Wiederanlegelinie durch spannweitig verteilte Anregeintensität erzeugt werden. Da die Wiederanlegeposition als Regelgröße nicht direkt messbar ist, kommen zwei unterschiedliche Verfahren zur Bestimmung einer Ersatzregelgröße zum Einsatz. Auf Basis von linearen black-box Modellen werden robuste Regler identifiziert und im Experiment getestet. Am 2D stumpfen Körper wird durch gleichphasige Anregung an oberer und unterer Körperhinterkante eine Synchronisation der Scherschichtentwicklung nahe der Körperbasis erzwungen. Dadurch kann bei geeigneter Wahl der Anregeparameter der Basisdruck um ca. 40% angehoben und der Gesamtwiderstand um ca. 15% reduziert werden. Auf Basis dieses Aktuationsprinzips werden mehrere regelungstechnische Ansätze zur Reduzierung des aerodynamischen Widerstandes vorgeschlagen. Mit einer robusten Regelung wird der Basisdruck über die Anregeamplitude gezielt eingestellt. Der modellfreie, adaptive Slope-Seeking-Regler stellt die optimale, energieeffiziente Anregeamplitude für die maximale Basisdruckanhebung automatisch ein. Ein physikalisch motivierter Phasenregler regelt direkt die Scherschichtentwicklung nahe der Körperbasis, wobei eine Synchronisation beider Scherschichten mit nur einem Aktuator gelingt. Die Tandemkonfiguration, bestehend aus zwei hintereinander angeordneten stumpfen Körpern, wird hinsichtlich des Einsatzes regelungstechnischer Methoden im Sinne einer Machbarkeitsstudie untersucht. Mit einer aufgebauten Phasenregelung am ersten Körper auf Basis von Sensorinformationen des zweiten Körpers werden der Widerstand am ersten Körper verringert und die Störeinflüsse auf den zweiten Körper reduziert. Ein 2D Wirbelmodell wird zur Echtzeit-Berechnung des 2D Druck- und Wirbelfeldes um den zweiten Körper der Tandemkonfiguration in das Experiment implementiert. Der Ahmed Körper stellt eine Konfiguration mit komplexen dreidimensionalen Strömungsstrukturen dar. Der Slope-Seeking-Regler wird am Ahmed Körper zum automatischen Auffinden des optimalen Einblasvolumenstroms des stationären Einblasens an den oberen Ecken des Hecks verwendet. Des Weiteren erfolgt der Einsatz eines MISO Extremwert-Reglers zum Auffinden optimaler Anregeparameter bei Verwendung mehrerer Aktuatoren.Active control of separated flows is an ongoing research topic for many decades in academia as well as in industry. In recent years, the number of studies considering closed-loop flow control has increased rapidly because of the well-known benefits, such as disturbance rejection or set-point tracking. This contribution focuses on the development of methods for active closed-loop flow control on simple flow configurations, such as a backward facing step, a two-dimensional bluff body, a tandem configuration of two bluff bodies, and a three-dimensional, generic car model (Ahmed body). All synthesised controllers are tested in wind tunnel experiments in order to show the success of the control. Robust SISO and MIMO closed-loop controls are applied on the flow behind a backward facing step at Reynolds number 25000. The goal is to adjust the reattachment length and to compensate disturbances. The well-known control mechanism of the harmonic excitation of the Kelvin-Helmholtz-shear layer instability is used. In the SISO-case the intensity of the actuation is uniformly distributed in spanwise direction, whereas the MIMO-case uses spanwise distributed actuation. With the assembled sensor technique a direct measurement of the reattachment length is not possible. Therefore, two possibilities are introduced to obtain a surrogate control variable. The synthesis of the controllers is based on a family of identified linear black-box models, which describes the input/output-behaviour of the plant. Tracking performance and disturbance rejection of the controllers are tested in wind tunnel experiments. In-phase actuation on the upper and the lower trailing edge of a two-dimensional bluff body enforces a synchronisation of shear layer evolution behind the rear end. Therefore, the aerodynamic drag is decreased by approximately 15% and the base pressure can be increased by approximately 40% with efficient actuation parameters. Based on this actuation scheme several closed-loop controls are proposed for drag reduction. A robust controller allows to prescribe the base pressure. A model-free adaptive slope-seeking feedback is utilised for an automatic adaption of the optimal actuation amplitude with respect to maximum base pressure. The most efficient control is realised by a physically motivated phase controller which explicitly synchronises upper and lower shear layer evolution by design. Moreover, the control goal can be achieved with a minimum of actuation energy. In feasibility studies a tandem configuration, consisting of two bluff bodies in series, is investigated with respect to the application of closed-loop methods. A phase controller utilises sensor information of the downstream positioned body for drag reduction of the first body and mitigation of disturbances induced by the first body. Furthermore, a two-dimensional vortex model is implemented in experiments for real-time estimation of the two-dimensional pressure and vorticity field around the second body of the tandem configuration. The separated flow over the Ahmed body shows complex and three-dimensional structures. The slope-seeking feedback is used here for an automatic adaption of the most effective blowing intensity at the upper corner of the slant for maximum drag reduction. Furthermore, a MISO extremum seeking controller is applied for the adaption of optimal actuation parameters on several actuators