Experimentelle und numerische Untersuchungen zur Auswirkung des aerodynamischen Bodeneffektes im Manöverflug

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Ewald Krämer; Professor Dr.-Ing. Markus Raffel
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 282718145

Die Strömungstopologie um Hubschrauber in Bodennähe unterscheidet sich drastisch von der außerhalb der Einflusssphäre des Bodens operierender Helikopter. Sowohl die Lasten auf den Rotor, die Vibrationslevels der Zelle, als auch die Leistungsdaten des Helikopters ändern sich deutlich. Zudem kann beim Flug über losen Untergrund Sand oder Schnee aufgewirbelt werden, was zu einer erheblichen Sichtbehinderung des Piloten führen kann. All diese Merkmale stellen ein nicht zu unterschätzendes Sicherheitsrisiko für das Bodenpersonal und für die Besatzung des Hubschraubers dar. In dem beantragten Projekt soll der Einfluss des Bodeneffekts auf den Hubschrauber detailliert sowohl experimentell als auch numerisch untersucht werden. Hierzu wird am IAG der vorhandene Modellhubschrauber mit Messtechnik zur Blattdeformation erweitert, und es werden neue Messflüge im Bodeneffekt durchgeführt. Numerisch wird die starke Strömungs-Struktur-Kopplung weiter ausgebaut, so dass ein Manöverflug im Bodeneffekt, wie er z.B. bei Start oder Landung auftritt, berechnet werden kann. Um den experimentellen Flugpfad im Manöverflug wiedergeben zu können, müssen die Steuereingaben durch ein korrektes Pilotenmodell vorgegeben werden. Diese Codefunktionalität wird validiert und getestet, indem die zuvor generierten Freiflugdaten des Modellhubschraubers genutzt werden. Als letzter experimenteller Schritt des Projekts werden am DLR Freiflugdaten mit einem Hubschrauber im Realmaßstab gesammelt. Hierzu wird vor allem das Strömungsverhalten des Rotornachlaufs mit der BOS-Methode vermessen. Zudem können an dem Versuchshelikopter unter anderem Daten wie die Steuereingaben, die Drehzahl oder die Mastmomente erfasst werden. Diese Datengrundlage dient zur Validierung der über die Projektlaufzeit am IAG entstandenen Toolkette.In allen bisherigen Visualisierungen und Berechnungen ist zu erkennen, dass sich die Wirbel nach einer gewissen Zeit nicht mehr detektieren lassen. Dies liegt daran, dass durch Vortex Pairing oder andere dissipativen Vorgänge die Wirbelstärke sehr stark abnimmt. Die Vorgänge, die hierzu führen, sind bislang nicht oder nur sehr unzureichend bekannt und sollen mithilfe der in diesem Projekt durchgeführten BOS-Messungen und den begleitenden numerischen Simulationen weiter untersucht werden.Nach erfolgter Validierung sollen parametrische numerische Untersuchungen durchgeführt werden, um die einzelnen Einflussgrößen auf die Strömungstopologie im bodennahen Flug identifizieren zu können. Hierdurch lassen sich die Daten des Flugpfades, als auch geometrische Größen des Hubschraubers in der Simulation verändern, ohne neue Flugversuche unternehmen zu müssen. Des weiteren sollen Kräfte und Momente auf einzelne Bauteile vorhergesagt werden, ohne weitere kostenintensive Testflüge mit einem instrumentierten, realgroßen Messhubschrauber durchführen zu müssen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen