Einfluss von nichtlinearen und instationären aerodynamischen Effekten auf die Stabilität von Flügelanordnungen in Bodennähe
Final Report Abstract
Das Ziel des Forschungsverbundvorhabens WIGSTAB war die Entwicklung von Grundlagen für eine wesentliche Erhöhung des Flugsicherheit von Flügelsystem in Bodennähe. Im Rahmen des vorliegenden Teilprojekts sollten die aerodynamischen Aspekte von Bodeneffektfahrzeugen untersucht werden und es sollte ein Beitrag zur simulativen Umsetzung eines regelungstechnischen Modells von Bodeneffektfahrzeugen geleistet werden. Hierbei sollte besonderes Augenmerk auf den Einfluss nichtlinearer und instationärer Effekte gelegt werden. Basierend auf verschiedenen Simulationsansätzen wurde das statische und dynamische Verhalten von Bodeneffektfahrzeugen untersucht. Hierzu wurden vorhandene vereinfachte Modellierungsansätze und detailierte Betrachtungsweisen verwendet. Anhand von statistisch vorgegebenen Störspektren und einzelnen definierten Störungen wurde das Verhalten eines typischen Bodeneffektfahrzeugs auf äußere Anregungen untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass ohne Regelung bereits kleine Störungen ausreichen, um instabiles Verhalten bei einem Fahrzeug hervorzurufen, das nach klassischen Ansätzen als stabil bewertet wird. Hierzu zählen insbesondere Windböen sowie eine falsche Abhebegeschwindigkeit beim Start. Beim Vergleich der Modellierungsansätze wurde gezeigt, dass eine quasi-stationäre Berücksichtigung der instationären Ableitungen der Kraftbeiwerte ausreichend genau ist, um die instationären Effekte zu berücksichtigen. Eine vollständige Berücksichtigung der Nichtlineartät der instationären Bewegung erhöht die Genauigkeit bei der Bestimmung der Fahrzeugdynamik nicht in signifikantem Niveau. Anhand von potentialtheoretischen sowie CFD-Simulationen wurde gezeigt, dass der instationäre Beitrag im Vergleich zum quasistationären in Bodennähe deutlich geringer wird. Hierdurch nimmt der Einfluss der Modellierungsansätze im bodennahen Flug ab und die etablierten vereinfachten Ansätze erwiesen sich als gültig. Diese Ergebnisse wurden mittels generischer Flügelanordnungen gewonnen, sodass sie allgemein für Bodeneffektfahrzeuge genutzt werden können. Diese Modelle wurden vom Projektpartner implementiert, um die Aerodynamik des Fahrzeugs für den Reglerentwurf zu modellieren. Abschließend wurde der Einfluss der Rumpfes auf die statische Stabilität eines Bodeneffektfahrzeugs untersucht. Hierbei konnten offene Fragestellungen dazu beantwortet werden. Entsprechend den Erwartungen wurde gezeigt, dass aufgrund der hohen Reynoldszahl eine potentialtheoretische Betrachung geeignet ist, um die aerodynamischen Beiwerte zu ermitteln. Die Simulation der Umströmung der realistischen Geometrie zeigt, dass am Rumpf keine Beeinflussung der Stabilität durch den Venturi-Effekt auftritt. Im Vergleich der vereinfachten Rumpfgeometrie für das Wirbelgitterverfahren wurde gezeigt, dass der Rumpf entgegen früherer Untersuchungen je nach Geometrie einen Einfluss auf die Stabilität hat. Im Fall des betrachteten Identifikationsmodells konnte negativer Einfluss auf die statische Stabilität nachgewiesen werden. Diesem Effekt wurde bisher keine Aufmerksamkeit gezollt. Es wurde aber nachgewiesen, dass im Entwurf von Bodeneffektfahrzeugen die Geometrie des Rumpfes berücksichtigt werden muss. Im Forschungsverbund wurden numerische Modelle und hierauf basierende Reglerstrukturen entworfen, mit deren Hilfe die Stabilität von Bodeneffektfahrzeugen signifikat verbessert werden konnte. Die Modelle wurden umfangreich validiert und erprobt. Es konnten neue Einflussgrößen auf die Stabilität der Fahrzeuge aufgedeckt werden. Die gewonnenen Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Annahme infinitisimal kleiner Störungen der Hauptgrund für die Abweichung zwischen der vorhergesagten dynamischen Stabilität und der in der Praxis erreichten ist. Unter realen Bedingungen treten beim Flug in Bodennähe verschiedene Störungen auf. Durch den kleinen Abstand zur Wasseroberfläche kann eine relativ moderate Störung Kontakt mit Wasseroberfläche oder Pitch Up Tendenz verursachen. Um die Forschungen auf diesem Gebiet fortzuführen und die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Modelle und des Reglerentwurfs zu erhöhen, sind einige anschließende Arbeiten naheliegend. Zunächst sollte der Einfluss der Rumpfgeometrie weiter untersucht werden. Hierzu können vorhandene Konfigurationen sowie generische Rumpfformen untersucht werden. Ungeklärt blieben auch instationäre Beiträge des Rumpfes auf die aerodynamischen Beiwerte. Um diese unmittelbar aus den Ergebnissen des vorliegenden Forschungsvorhabens resultierenden Fragestellungen effizient klären zu können, müssen umfangreiche Berechnungen durchgeführt werden. Es liegt nahe, hierfür ein potentialtheoretisches Berechnungsmodell zu entwickeln, bei dem die tatsächliche Geometrie des Rumpfes berücksichtigt werden kann, etwa basierend auf dem Panelverfahren.
Publications
- (2012). Study of WIG Dynamics under Different Perturbations. 8th. International Conference on High-Performance Marine Vehicles (HIPER 12), Duisburg, Germany, September 2012, pp. 191 - 206
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(See online at https://dx.doi.org/10.1115/ESDA2014-20254) - (2014). Influences on Safety of Flight of WIG craft, 52nd Aerospace Sciences Meeting, National Harbor, Maryland
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(See online at https://doi.org/10.1179/str.2014.61.2.002) - (2016). Development and validation of the open source overset grid library Bellerophon. ICVFM (International Conference on Vortex Flow Mechanics) 2016 Rostock, Germany, pp. 44-45
Groß, A. & Kornev, N.
