Experimental investigation of counter-rotating four vortex aircraft wake

An experimental investigation on the wake vortex formation and evolution of a four vortex system of a generic model in the near field and extended near field as well as the behaviour and decay in the far field region has been conducted by means of hot-wire anemometry in a wind tunnel. The results were obtained during an experimental campaign as part of the EC project “FAR-Wake”. The model used consists of a wing–tail plane configuration with the wing producing positive lift and the tail plane negative lift. The circulation ratio of tail plane to wing is −0.3 and the span ratio is 0.3. Thus, a four vortex system with counter-rotating neighboured vortices exists. The model set-up was chosen on the condition to create a most promising four vortex system with respect to accelerate wake vortex decay by optimal perturbations enhancing inherent instability mechanisms. The flow field has been investigated for a half plane of the entire wake up to a distance of 48 span dimensions downstream of the model. The results obtained at 1, 12, 24 and 48 span distances are shown as non-dimensional axial vorticity and vertical turbulence intensities. A significant decay in peak vorticity, swirl velocity and circulation is observable during the downward motion of the vortices. Spectral analysis of the unsteady velocity data reveals a peak in the power spectral density distributions indicating the presence of a dominating instability. Using two hot-wire probes cross spectral density distributions have also been evaluated, which highlight the co-operative instability leading to a rapid wake vortex decay within 30 span dimensions downstream.

ZusammenfassungDie Nachlaufausbildung eines Vierwirbelsystems, mit gegensinnig drehenden, benachbarten Wirbeln, wird an einem generischen Modell mittels Hitzdrahtanemometrie im Windkanal untersucht. Der betrachtete Nachlaufbereich umfasst die Entwicklung im Nahfeld und erweitertem Nahfeld sowie das Verhalten und den Zerfall im Fernfeld. Die Ergebnisse wurden im Rahmen einer experimentellen Kampagne als Teil des EU Projektes “FAR-Wake” gewonnen. Das verwendete Modell besteht aus einer Flügel–Leitwerks Konfiguration, bei der der Flügel positiven und das Leitwerk negativen Auftrieb erzeugt. Das Zirkulationsverhältnis des Leitwerks zum Flügel beträgt −0.3 und das Spannweitenverhältnis 0.3. Somit entsteht ein System von vier, gegensinnig drehenden, benachbarten Wirbeln. Die Versuchsparameter sind so gewählt, dass das vielversprechendste Vierwirbelsystem hinsichtlich eines beschleunigten Wirbelschleppenzerfalls entsteht, d.h. welches ein optimales Anwachsen der inhärenten Instabilitäten erwarten lässt. Das Strömungsfeld wird dabei für eine Halbebene des Nachlaufs bis zu 48 Spannweiten stromab des Modells untersucht. Die Ergebnisse für die Querströmungsebenen beim Abstand von 1, 12, 24 und 48 Spannweiten werden anhand der dimensionslosen axialen Wirbelstärke und der vertikalen Turbulenzintensität diskutiert. Ein bedeutender Abfall in den Spitzenwerten der Wirbelstärke, maximalen Umfangsgeschwindigkeit und Zirkulation ist während der Abwärtsbewegung der Wirbel erkennbar. Die Spektralanalyse der instationären Geschwindigkeiten zeigt eine deutliche Spitze in der spektralen Leistungsdichte, die auf das Vorhandensein einer dominierenden Instabilität hinweist. Spektrale Kreuzleistungsdichteverteilungen, denen eine zeitgleiche Messung mit zwei Hitzdrahtsonden zugrunde liegt, belegen die Anfachung der Instabilität, die stromab zu einem beschleunigten Zerfall der Wirbelschleppe innerhalb von 30 Spannweiten führt.