Studien zur Entwicklung massiv abgelöster Nachläufe an Verkehrsflugzeugen

• Antragsteller: Dr.-Ing. Thorsten Lutz
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 314807291

Das Verhalten von Verkehrsflugzeugen an den Flugbereichsgrenzen ist mit komplexen strömungsphysikalischen Vorgängen verbunden, deren Erfassung sowohl experimentell als auch numerisch eine Herausforderung darstellt. Bei hohen Anstellwinkeln tritt am Tragflügel Strömungsablösung auf, die einen instationären turbulenten Nachlauf zur Folge hat. Die turbulenten Strukturen werden stromab propagiert und treten mit dem Leitwerk in Wechselwirkung. Die Studie der Zusammenhänge zwischen Ablösung, Nachlaufpropagation und Leitwerkswechselwirkung stellt den Schwerpunkt des Forschungsvorhabens dar.Im Zuge der momentan laufenden ersten Projektphase wurden die im Rahmen des EU-Projekts ESWIRP resultierenden zeitaufgelösten PIV-Nachlaufmessungen ausgewertet, die am Europäischen Transsonischen Windkanal (ETW) an der Flugzeugkonfiguration CRM durchgeführt wurden. Zudem wurde die Eignung moderner skalenauflösender numerischer Methoden für die Simulation solcher Nachläufe untersucht. Synergetische Analysen der experimentellen und numerischen Daten haben Erkenntnisse über die Entstehung und das Verhalten von massiv abgelösten Nachläufen bei hohen Anstellwinkeln geliefert. Spektrale Analysen der Datensätze haben gezeigt, dass die numerischen Verfahren geeignet sind um fundierte Aussagen über die Physik der turbulenten Schwankungen im Nachlauf zu treffen.In der zweiten Projektphase sollen mit Hilfe der gewonnenen Erkenntnisse vertiefte Analysen der Nachlaufphysik durchgeführt werden. Zunächst soll überprüft werden, inwiefern die Unterschiede zwischen den numerischen und experimentellen Untersuchungen die Vergleichbarkeit der Ergebnisse beeinflussen. Neben den in der ersten Phase durchgeführten Untersuchungen bei hohem Anstellwinkel und massiver Ablösung sollen nun auch kleinere Anstellwinkel betrachtet werden, um Flugzustände mit moderater Größe des abgelösten Nachlaufes zu erfassen. Hierzu sollen zunächst geeignete hybride RANS/LES-Verfahren identifiziert werden, wobei im Zuge der hierfür nötigen spezifischen Validierung neben den vorhandenen ES-WIRP-Messergebnissen zusätzlich institutsintern durchgeführte Messungen an einer vereinfachten Konfiguration hinzugezogen werden. Aufbauend auf bisherigen Erkenntnissen soll der Einfluss des Leitwerks auf den Nachlauf analysiert werden. Hierzu werden Untersuchungen unter Betrachtung verschiedener Leitwerkseinstellwinkel sowie ohne Leitwerk durchgeführt. Die strömungsphysikalischen Studien stützen sich weiterhin auf statistische und spektrale Analysen sowie modale Verfahren wie POD oder DMD, wobei sowohl die instationären Schwankungen im Nachlauf als auch die fluktuierenden Flügel- und Leitwerkslasten detailliert betrachtet werden. Die Variationen des Anstellwinkels und Leitwerkseinstellwinkels dienen dazu, ein erweitertes Verständnis zum Verhalten des abgelösten Nachlaufes und seiner Wechselwirkung mit dem Leitwerk über eine weite Spanne möglicher Anströmbedingungen zu erhalten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen