Aerodynamik und Thermodynamik

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).

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.

Drittmittelprojekt für UMS Skeldar: Vermessung der Polare einer Hubschrauberzelle

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.