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Aerodynamik

Aktive Strömungsbeeinflussung in kompressibler Strömung

Der Betriebsbereich von Flugzeugen und Hubschraubern wird in verschiedensten Flugzuständen durch den Strömungsabriss begrenzt. Beispielsweise bei niedrigen Fluggeschwindigkeiten an Hochauftriebssystemen im Landeanflug, im schnellen Vorwärtsflug bei Hubschraubern am rücklaufenden Rotorblatt, aber auch im Überschall an Rampeneinläufen oder bei Klappenausschlag durch stoßinduzierte Ablösung. Der Forschungsschwerpunkt liegt bei der Beeinflussung von Ablösungen mittels pneumatischer Aktuatoren bei Unterschallgeschwindigkeiten von M=0.3…0.8 und Überschallströmung bis M=3.0. Die Untersuchungen finden am Trisonischen Windkanal München (TWM) an generischen Körpern wie der ebenen Platte, der rückspringenden Stufe oder der Rampe statt. Dabei werden Wirbel durch das Ausblasen von Luft mittels angestellter Schlitze oder Bohrungen erzeugt, die einen Fluidtransfer in die oberflächennahe Grenzschicht und somit einen Impulsgewinn hervorrufen. Zur Untersuchung der Effizienz verschiedener Aktuatorgeometrien und der Charakterisierung der erzeugten Wirbel kommen diverse Messtechniken, wie Particle Image Velocimetry (PIV), Particle Tracking Velocimetry (PTV) und Pressure Sensitive Paint (PSP) zum Einsatz, um ein vollständiges Verständnis der Strömungsphänomene zu erhalten.
 
 

Bearbeiter: Dipl.-Ing. Christian Pickel und Dipl.-Ing. Dirk Sonnemann

 

 

 

Untersuchung der Wirbeldynamik beim Überziehen von Triebwerksgondeln mit zeitauflösenden Messverfahren

Die Fortschritte in der optischen Messtechnik für ortsaufgelöste Druck- und Geschwindigkeitsmessungen werden in diesem Projekt genutzt, um zu der grundlegenden Fragestellung – Lässt sich eine physikalisch fundierte Berechnungsmethodik für die instationären Ablösungen am Triebwerkseinlauf und ihrer Wechselwirkungen mit den ersten Verdichterstufen etablieren? – die benötigte experimentelle Datenbasis zu generieren. Die Strömungsanalysen zielen auf Aussagen darüber, bei welchen Strömungszuständen eine Trennung der Skalen des instationären Wirbelabwerfens von den Skalen der turbulenten Schwankungsbewegung möglich ist und auf quantitative Ergebnisse zur Dynamik der Strömungsstrukturen ohne und mit Störungen der Zuströmung. Zur Beantwortung dieser Fragen wurde eine isolierte Durchflussgondel ausgelegt und mit Pressure Sensitive Paint und instationärer Druckmesstechnik sowie mit verschiedenen Particle Image Velocimetry Varianten und der Hitzdrahtmesstechnik analysiert.
 

Gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen der Forschergruppe 1066.

 

Partner: TU Braunschweig, Rolls-Royce Deutschland.
 
 

Bearbeiter: Dipl.-Ing. Simon Übelacker
 

 

 

Der Einfluss von Turbulenz auf die Strömungsstrukturen und Lasten an Profilen und Flügeln bei kleinen Reynoldszahlen

Micro Air Vehicle (MAVs) sind kleine (< 0,5 m), ferngesteuert oder autonom fliegende Flugzeuge, die sich mit kleinen Geschwindigkeiten (< 10 m/s) bewegen. Sie sollen Aufgaben wie z. B. Überwachung, Unterstützung bei Suche und Rettung oder die Bereitstellung von Kommunikationsstützpunkten übernehmen. Während dieser Missionen verbringen MAVs lange Zeiten in der untersten Schicht der Atmosphäre, der sogenannten atmosphärischen Grenzschicht (ABL), in der sie stabil fliegen sollen. Obwohl die Vorteile und der Nutzen von MAVs ersichtlich sind, bestehen in ihrer Weiterentwicklung Probleme durch ein fehlendes Verständnis der Strömungsdynamik in ihrem Flugbereich. Die Strömung in der ABL kann sehr komplex und instationär sein. Die Interaktion der Luftströmung mit Geländeunebenheiten oder Hindernissen oder auch thermische Effekte führen zu einer hohen Turbulenz.

Charakterisiert wird die Turbulenz durch ihre Intensität sowie ihre Längenskala. Turbulenzintensitäten von bis zu 30% und Längenskalen von weniger als einem Meter bis zu mehreren Metern wurden in ABLs beobachtet. MAVs werden im Flug den Effekten kleiner Reynoldszahlen (durch ihre Größe und Fluggeschwindigkeit) und Turbulenzintensitäten ausgesetzt. Um MAVs unter diesen Situationen flugfähig zu machen, ist das Verständnis des Einflusses der großskaligen Turbulenz auf die Strömung um Profile und Flügel bei relevanten Reynoldszahlen unabdingbar.

Moderne Messtechniken sollen daher eingesetzt werden, um die momentane sowie statistische Interaktion zwischen der Turbulenz und der Strömung am Profil/Flügel bei verschiedenen Turbulenzsituationen zu untersuchen. Für die Profile werden simultane Messungen der Oberflächendrücke sowie des Strömungsfeldes mit Hilfe der PIV durchgeführt, um den Einfluss der Turbulenz auf die Kräfte und Momente zu analysieren. Bei den Flügeln werden simultane Messungen des Strömungsfeldes sowie der Kräfte und Momente durchgeführt, um integrale Informationen zu erhalten. Detaillierte Vergleiche zwischen den Messungen in Verbindung mit den Anströmbedingungen werden den Einfluss der Turbulenzen auf die Strömungsstrukturen und Belastungen an dem Profil/Flügel aufzeigen.

Die erzielten Ergebnisse werden detaillierte Erkenntnisse über die Strömungsphysik an Profilen und Flügeln unter verschiedenen Turbulenzbedingungen ergeben. Diese Erkenntnisse sind von fundamentalem Interesse für die Entwicklung von Regelsystemen für MAVs und Mechanismen zur aktiven Strömungsbeeinflussung, die in Zukunft zur Leistungssteigerung von MAVs unter den genannten Bedingungen eingesetzt werden könnten.

 

Das Projekt wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) unter der Kennziffer HA 6926/2-1 gefördert.

 

Antragsteller: Dr.-Ing. R. Hain

 

Bearbeiter: NN

 

 

Charakterisierung und Kontrolle turbulenter Nachlaufströmungen im Transschall mit und ohne Treibstrahlsimulation

Dieses Projekt erforscht die physikalischen Mechanismen der passiven und aktiven Strömungskontrolle bei der Umströmung einer ebenen Platte mit zurückspringender Stufe. Dabei stellt die zurückspringende Stufe in vereinfachter Form den Sprung vom zylindrischen Vorkörper zur Düsenkontur im Heckbereich einer realen Trägerrakete dar.  Ziel ist es, die dominanten Wirbelstrukturen in der Scherschicht durch geeignete Methoden zu beeinflussen, um die dynamischen Lasten auf die Düse zu reduzieren. Hierfür werden einerseits zur passiven Strömungskontrolle verschiedene geometrische Elemente an der Heckstufe integriert und deren Wirkung auf die Nachlaufströmung mit zeitauflösenden Messverfahren  (zeitaufgelöste PIV, mehrpuls PIV, 3D PTV, Oberflächendruckmessungen und PSP) systematisch untersucht. Andererseits sollen aktive Kontrollmöglichkeiten mittels Ausblasen und Absaugen im Detail erforscht werden, um zu ermitteln, ob diese Methoden Vorteile gegenüber den passiven Ansätzen aufweisen. Die Messungen werden am Trisonischen Windkanal München (TWM) durchgeführt, während die Vorauslegung der verschiedenen Strömungsbeeinflussungsmethoden durch CFD Simulationen unterstützt wird.

 

Gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Sonderforschungsbereichs TRR40 (http://www.sfbtr40.de/)

 

Partner: TU München, TU Braunschweig, DLR, RWTH Aachen, Airbus Defense and Space, Universität Stuttgart

 

Bearbeiter: Istvan Bolgar, M.Sc.

 

 

 

Experimentelle Untersuchungen zur Wirkungsweise laserinduzierter Beeinflussungsmethoden für Hochgeschwindigkeitsströmungen

Aufgrund der technologischen Fortschritte im Bereich der Laserentwicklung können heute sehr reproduzierbare Pulsfolgen mit nahezu beliebiger Ausgangsleistung, Frequenz und Pulslänge realisiert werden. Diese Fortschritte werden in diesem experimentellen Vorhaben genutzt, um systematisch zu untersuchen, unter welchen Bedingungen eine vollständig berührungslose, laserinduzierte Strömungsbeeinflussung erreicht werden kann und welche physikalischen Mechanismen für die Beeinflussung der Strömung verantwortlich sind. Zum Nachweis soll beispielhaft die Rezeptivität einer Über- und Hyperschallströmung gegenüber laserinduzierten Druck- und thermischen Störungen im Detail analysiert werden. Es wird erwartet, dass die grundlegenden strömungsmechanischen Erkenntnisse Aufschluss über die Möglichkeiten und Grenzen dieser Technologie für die aktive Strömungsbeeinflussung liefern. Ferner wird davon ausgegangen, dass die detaillierte Analyse des Transitionsverhalten bei Über- und Hyperschall-Machzahlen einen Beitrag zur Entwicklung von Verfahren zur Vorhersage der Transition leisten werden.

 

 

Gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen eines Paketantrages mit der Universität Stuttgart.
 
 

Partner: TU Braunschweig, Universität Stuttgart.
 

 
Bearbeiter: Dipl.-Ing. Dirk Heitmann