Wirbel Design durch Formgebung der Tragflächenspitze

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Eike Stumpf
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 252995383

Es wird vorgeschlagen, den Effekt der variablen Axialgeschwindigkeit im Kern von Wirbeln, die an Flügelseitenkanten entstehen, zu untersuchen. Die Ergebnisse anderer Forschergruppen sowie eigene Vorarbeiten zeigen, dass diese Geschwindigkeitskomponente a) einen Einfluss auf Wirbelinstabilitäten im Nahfeld hat und b) sich auf das maximale Auftrieb-zu-Widerstand-Verhältnis (engl.: L/D) auswirkt. Beide Aspekte werfen noch grundlegende Fragen auf und so kann der Flugzeug- bzw. Tragflügel- oder Rotorenentwurf das mögliche Potenzial spezieller Axialgeschwindigkeiten im Wirbelkern bis dato nicht nutzen. Eigene Arbeiten zeigen, dass sich bei gegebenem Auftrieb die Axialgeschwindigkeit im Wirbelkern effektiv durch den Grundriss der Tragflügelspitze beeinflussen lässt. Entsprechend werden in diesem Projekt die Tragflügelspitzengeometrien variiert, um die Axialgeschwindigkeit im Kern zu verändern. Das vorgeschlagene Projekt kombiniert systematisch numerische und experimentelle Arbeiten. Im Mittelpunkt steht zunächst das physikalische Verständnis, das komplementär auf numerischen und experimentellen Rasteruntersuchungen beruht und sich auf drei Aspekte konzentriert: a) Untersuchung der Rolle einerseits des reibungsbehafteten Gesamtdruckverlusts und andererseits der reibungsfreien Wirbeltopologie bei der Bildung der Axialgeschwindigkeit, b) Klärung, ob und wie Instabilitätsmechanismen im unmittelbaren Nahfeld des Flügels zum Tragen kommen, und c) Klärung, inwiefern die Wahl des Randbogens und die erzeugte Axialgeschwindigkeit mit der aerodynamischen Güte L/D zusammenhängen. Die Rasteruntersuchung beinhaltet weiterhin Sensitivitätanalysen bezüglich einer Änderung des Anstellwinkels und der Reynoldszahl. Das erarbeitete Wissen wird in einfachen Zusammenhängen formalisiert, die eine Beziehung zwischen einerseits Flügelspitzencharakteristika (z. B. Flügelspitzenbelastung) und Strömungsphänomenen (z. B. mehrere abgehende Seitenkantenwirbel) und andererseits der Axialgeschwindigkeit bzw. der Erfüllung von Instabilitätskriterien oder verbesserter aerodynamischer Güte herstellen. Zuletzt soll der Gültigkeitsbereich der hergeleiteten Zusammenhänge anhand von klassischen Flügelspitzen (Hörner-Flügelspitze und gepfeilter Flügelspitze) überprüft werden. Als Nebenprodukt erlaubt diese umfassende Studie den Ansatz der Reynolds-Stress-Modelle für detaillierte Nahfeld-Simulationen von Seitenkantenwirbeln zu qualifizieren. Insgesamt zielt das Projekt auf ein zukünftiges 'Wirbel-Design', das den Widerstand von Tragflügeln und Rotoren gezielt senkt sowie die Bedingung für natürliche Instabilität eines Wirbels verstärkt erfüllt. In Anbetracht der Vielzahl heutiger und geplanter Flügelspitzenvarianten kann das Projekt einen nützlichen Beitrag zur Etablierung einer konvergierten physik-basierten Entwurfsphilosophie leisten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen