Komplexe Nachlaufströmungen

• Antragsteller: Dr. Tobias Knopp; Professor Dr.-Ing. Rolf Radespiel; Dr.-Ing. Peter Scholz
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 324552438

Moderne Verkehrsflugzeuge verwenden im Langsamflug Klappensysteme mit Spalt zum Erreichen hoher Auftriebsbeiwerte. Bei diesen Klappenanordnungen sind die Nachläufe von Vorflügel und Flügelhauptsegment einem Druckanstieg und einer Krümmung der Stromlinien ausgesetzt, die durch die jeweils dahinterliegenden Flügelelemente verursacht werden. Der Druckanstieg verursacht eine starke laterale Aufweitung des Nachlaufs und in vielen Fällen auch lokale, eingebettete Rückströmungen. Dieses reduziert den Auftriebsbeiwert des Hochauftriebssystems und begrenzt seinen Maximalwert. Präzise Vorhersagen dieser Effekte sind wegen des Fehlens einer fundierten Datenbasis und daher einer mangelnden Validierung heutiger Berechnungsmodelle für den Flugzeugentwurf nicht möglich. Das Ziel des beantragten Forschungsprojekts besteht in der Etablierung einer umfassenden Datenbasis für Nachlaufströmungen mit starken Druckanstiegen bei großen Reynoldszahlen. Während der kanonische Fall des symmetrischen Nachlaufs ohne und mit Druckanstieg im vorhergehenden DFG-RBRF Projekt “Wake Flows in Adverse Pressure Gradient” untersucht wurde, wird das hier beantragte Vorhaben eine verlässliche Datenbasis für den verallgemeinerten Fall des gekrümmten Nachlaufs mit Druckanstieg etablieren. Turbulenz auflösende Simulationen und detaillierte optische Strömungsmessungen werden eine detaillierte Bilanz der Reynolds-Spannungsgleichungen entlang des gekrümmten Nachlaufpfads erzeugen. Die Turbulenzdaten werden zur Ableitung von physikalisch basierten Erweiterungen der Spannungsgleichungen und der Längenmaßgleichung genutzt. Zwei Reynolds-Spannungsmodelle der Turbulenz werden auf diese Weise erweitert, und die Identifikation der Modellerweiterungen mit geringsten Modellfehlern und ihrer Kalibrierung wird mit Methoden der Unsicherheitsquantifizierung basierend auf der Bayes’schen Inferenz ermöglicht. Das Projekt wird eine Validierung der Modellverbesserungen für die Vorhersage des Hochauftriebs eines Tragflügelsegments mit Spalten ermöglichen. Dafür wird das Projekt eine Turbulenz auflösende Datenbasis für das Drei-Element-Profil MD 30P-30N etablieren, für das Strömungsmesssungen des Nachlaufs aus der Literatur vorliegen. Die Forschungsarbeiten des Projekts werden von drei ausgewiesenen Forschungsgruppen erbracht. Die Gruppe der St Peterburg Polytechnischen Universität wird die Turbulenz auflösenden Simulationen unternehmen, während die TU Braunschweig detaillierte Windkanaluntersuchungen durchführt. RANS-Modellierungen und ihre Validierung werden von der TU Braunschweig und dem DLR in Göttingen beigetragen. Die umfassenden Vergleiche zwischen Windkanaldaten, hybriden RANS-LES Simulationen und den erweiterten RANS-Modellen werden den Stand des Wissens in einem sehr anspruchsvollen Anwendungsfeld der modernen Aerodynamik voranbringen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Foundation for Basic Research, bis 3/2022
• Kooperationspartner: Privatdozent Dr. Mikhail Shur, bis 3/2022