Aerodynamik und Thermodynamik

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Professur für Aerodynamik und Thermodynamik

Prof. Dr. Markus Dietz ist seit Juni 2016 Inhaber der Professur für Aerodynamik und Thermodynamik, welche im Rahmen des Studiengangs Aeronautical Engineering an der Fakultät Maschinenbau neu geschaffen wurde.
Aufgabe der Professur sind die Lehre in den Bereichen Thermodynamik und Aerodynamik mit speziellem Fokus auf Luftfahrzeuge, sowie anwendungsorientierte Forschung im Bereich Aerodynamik. Der Professur steht zu diesem Zweck ein Labor zur Verfügung, welches einen Göttinger-Windkanal sowie Versuchsaufbauten zur Durchführung thermodynamischer und aerodynamischer Grundlagenversuche beinhaltet.

Lehre

Im Bachelor-Studiengang „Aeronautical Engineering“ werden die Lehrveranstaltungen „Thermodynamik“ und „Aerodynamik“ gehalten. Ergänzend werden Wahlpflichtveranstaltungen zu den Themen „Flugphysik des Hubschraubers“ und „Aerodynamische Auslegung von Tragflügeln und Flugzeugen“ angeboten.

Vorlesungsangebote

Vorlesung Thermodynamik

Im Rahmen der Vorlesung „Thermodynamik“ werden die Grundlagen der technischen Thermodynamik vermittelt. Diese werden unter anderem in den weiterführenden Vorlesungen „Aerodynamik“ und „Luftfahrtantriebe“ benötigt. Der Schwerpunkt der Vorlesung liegt daher im Bereich rechtslaufender Kreisprozesse und ihrer technischen Anwendung sowie der Thermodynamik von Strömungsprozessen. Im Einzelnen werden die folgenden Inhalte behandelt:

Thermodynamische Grundlagen
Thermische Zustandsgleichung
Erster Hauptsatz
Kalorische Zustandsgleichung
Zweiter Hauptsatz
Zustandsänderungen idealer Gase
Thermodynamik von Strömungs- und Arbeitsprozessen
Kreisprozesse
Technische Anwendungen

Die Vorlesung wird durch ein Labor begleitet, welches drei Praktikumsversuche umfasst.

Vorlesung Aerodynamik

Im Rahmen der Vorlesung „Aerodynamik“ werden die Grundlagen der Aerodynamik des Unterschalls, Transschalls und Überschalls vermittelt. Der Fokus liegt dabei auf der Aerodynamik des Flugzeugs unter spezieller Berücksichtigung von fliegerisch relevanten Aspekten.
Im Einzelnen werden die folgenden Inhalte behandelt:

Physikalische Eigenschaften von Fluiden
Hydrostatik
Strömungsmechanische Erhaltungssätze
Grundlagen inkompressibler Strömungen
Einführung in die Potentialtheorie
Profilaerodynamik
Inkompressible Tragflügelaerodynamik
Grenzschicht und Strömungsablösung
Grundlagen kompressibler Strömungen
Verdichtungsstöße und Expansionswellen
Profile und Tragflügel im Trans- und Überschall

Die Vorlesung wird durch ein Labor begleitet, welches drei Praktikumsversuche umfasst.

Vorlesung Flugphysik der Hubschrauber

Als Wahlpflichtfach wird die Vorlesung „Flugphysik des Hubschraubers“ angeboten. Ziel der Vorlesung ist es, einen umfassenden Einblick in die flugphysikalischen Teildisziplinen am Hubschrauber zu geben und damit ein Grundverständnis für die recht komplexen und häufig interdisziplinären physikalischen Vorgänge zu schaffen.
Im Einzelnen werden die folgenden Inhalte behandelt:

Einführung in die Hubschraubertechnik
Aerodynamik des Schwebe- und Vertikalflugs
Aeromechanik des Vorwärtsflugs
Rotorsysteme und Rotordynamik
Dynamik des Gesamthubschraubers
Flugleistungen
Fluglasten
Flugmechanik / Handling Qualities
Fortschrittliche Konzepte

Verschiedene Phänomene der Aerodynamik, Aeromechanik, Fluglasten und Flugmechanik werden anhand eines Windkanalversuchs anschaulich demonstriert. Zu diesem Zweck wird ein Modellhubschrauber mit entsprechender Instrumentierung in der offenen Messtrecke des Göttinger-Windkanals der Professur vermessen (Versuch derzeit im Aufbau; Durchführung im Rahmen der Vorlesung HT 2019 geplant).

Visualisierung des Rotorabwinds im schnellen Vorwärtsflug mit Nebellanze:

Visualisierung des Rotorabwinds im langsamen Vorwärtsflug mit Nebellanze:

Neigung der Blattspitzenebene durch zyklische Längssteuereingabe:

Vorlesung Aerodynamische Auslegung von Tragflügeln und Flugzeugen

Als Wahlpflichtfach wird die Vorlesung „Aerodynamische Auslegung von Tragflügeln und Flugzeugen“ angeboten. Aufbauend auf der Grundlagenvorlesung „Aerodynamik“ hat die Vorlesung das Ziel, einen vertieften Einblick in die Tragflügel- und Flugzeugaerodynamik zu geben und dabei insbesondere den Aspekt der Auslegung zu berücksichtigen: Je nach Einsatzzweck unterscheidet sich das aerodynamische Design von Flugzeugen erheblich. Die Vorlesung versetzt den Studierenden in die Lage, zu verstehen, weswegen z.B. Segelflugzeuge, Verkehrsflugzeuge oder Kampfflugzeuge „so aussehen, wie sie aussehen“, und welche Auslegungsphilosophie und Auslegungs-Randbedingungen im jeweiligen Fall Anwendung finden.

Im Einzelnen werden die folgenden Inhalte behandelt:

Flugphysikalische Grundlagen der Aerodynamik, Flugmechanik und Flugleistung
Profilaerodynamik im Unterschall, Transschall und Überschall
Tragflügelaerodynamik im Unterschall, Transschall und Überschall
Flugzeugentwurfsphilosophie am Beispiel des Verkehrsflugzeugs
Tragflügelauslegung für Verkehrs- und Kampfflugzeuge

Einige Phänomene, z.B. die Umströmung des Deltaflügels sowie die qualitative Umströmung verschiedener Flugzeugkonfigurationen, werden anschaulich im Windkanalexperiment dargestellt (Versuche derzeit im Aufbau; Durchführung im Rahmen der Vorlesung HT 2019 geplant).

Forschung

Durchführung aerodynamischer Messungen im Göttinger-Windkanal

Der Göttinger-Windkanal der Professur verfügt über Messausrüstung zur Durchführung von Polarenmessungen. Dabei können sowohl der Anstellwinkel des Modells als auch dessen Schiebewinkel motorisch verstellt werden. Die aerodynamischen Lasten werden mittels einer 6-Komponenten-Kraftmessdose gemessen. Zu diesem Zweck stehen mehrere Messdosen mit unterschiedlichem Messbereich zur Verfügung.

Bei Bedarf kann die Umströmung des Modells zusätzlich mittels eines Hitzdraht-CTA-Systems untersucht und durch Nebel sichtbar gemacht werden. Für Druckmessungen steht ein 24-Kanal Druckscanner zur Verfügung.

Weitere Informationen zum Windkanal und zur Instrumentierung finden Sie hier.

Flugphysikalische Auslegung und Nachrechnung von Hubschrauberkonfigurationen

Für Forschung und Lehre wurde ein einfaches Flugphysik-Rechenprogramm für Hubschrauber entwickelt. Nach Festlegung der Hubschrauberparameter ermöglicht das Programm die Durchführung von Trimmrechnungen, Zeitverlaufsrechnungen (Längs- und Seitenbewegung entkoppelt) sowie Stabilitätsrechnungen in der Längs- und Seitenbewegung.

Über die Berechnung von Flugleistungen hinaus ist das Programm zusätzlich in der Lage, die wichtigsten Fluglasten gemäß den Zulassungsvorschriften für Hubschrauber abzuschätzen und automatisiert auszuwerten. Die zur Modellbildung erforderlichen aerodynamischen Daten (Polaren der Hubschrauberzelle) können bei Bedarf am institutseigenen Göttinger-Windkanal ermittelt werden.

Entwurf und Optimierung von E-Fan-Triebwerken

Im Rahmen einer kooperativen Promotion werden an der Professur für Aerodynamik und Thermodynamik elektrische Fantriebwerke mit gegenläufigen Rotoren entworfen und optimiert. Ziel ist die Entwicklung eines effizienten Antriebssystems für die elektrische Fliegerei, wobei sowohl der Einsatz in UAV's als auch in manntragenden Fluggeräten (mehrere verteilte E-Fans) denkbar ist. Das Prinzip der Gegenläufigkeit verspricht dabei durch die Reduktion von Drallverlusten eine Effizienzerhöhung.

Die Basisauslegung der Antriebssysteme erfolgt zunächst mittels einfacher Rechenverfahren. Im Anschluss daran erfolgt eine Nachrechnung unter Verwendung von CFD-Verfahren (RANS), um zu überprüfen, ob das Auslegungsziel und die angestrebten Kennwerte tatsächlich erreicht werden. Mit Unterstützung der institutseigenen Werkstatt werden Prototypen gebaut und im Göttinger-Windkanal der Professur vermessen, wobei sowohl globale Kennwerte (Schub, Leistung, Massenstrom) als auch lokale Strömungsphänomene untersucht werden.