Entwicklung und Anwendung von Modellen reduzierter Ordnung für Buffeting und Buzz

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Breitsamter
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 387771741

Die Ermittlung der Flugbereichsgrenzen stellt eine Hauptaufgabe bei der Nachweisführung und Optimierung von Luftfahrzeugen dar. Aufgrund der Umströmung treten aeroelastische Phänomene auf, welche durch die Kopplung aerodynamischer, struktur-elastischer sowie trägheitsbedingter Kräfte charakterisiert sind. Neben der selbstinduzierten Anregung (Flattern) sind dynamische Antwortprobleme wie Schüttelerscheinungen (Buffeting) und Brummen (Buzz) von besonderer Bedeutung. Aus Effizienzgründen werden die Simulationen hauptsächlich mittels potenzialtheoretischer Verfahren durchgeführt. Mit diesen Verfahren kann jedoch der transsonische Geschwindigkeitsbereich nur unzureichend vorhergesagt werden, da Nichtlinearitäten in Form von Verdichtungsstößen und abgelöster Strömung nicht erfasst werden. Dagegen lassen sich die instationären Luftkräfte mit aktuellen CFD-Verfahren (Computational Fluid Dynamics) hinreichend präzise ermitteln. Der Genauigkeitsvorteil muss allerdings durch einen hohen Rechenaufwand erkauft werden, welcher auch mit heutigen Kapazitäten bei der Vielzahl der erforderlichen aeroelastischen Berechnungen noch nicht bewältigt werden kann. Eine Möglichkeit zur Begrenzung der Rechenressourcen besteht darin, Modelle reduzierter Ordnung (Reduced-Order Models, ROMs) einzusetzen, welche anhand von ausgewählten CFD-Simulationsdaten konditioniert und kalibriert werden. Ein ROM stellt ein vereinfachtes Modell dar, welches die dominanten Eigenschaften des zugrunde liegenden Systems effizient wiedergibt. Die Zielsetzung dieses Vorhabens besteht darin, ein nichtlineares ROM-Verfahren zu entwickeln, welches für die Modellierung von transsonischem Buffeting und Buzz eingesetzt werden kann. Dazu sollen die für das Flatterproblem konzipierten, validierten ROM-Verfahren erweitert werden, um die für Buffet und Buzz charakteristischen instationären aerodynamischen Mechanismen abzubilden. Mit einem derartigen Modell können die für die Aeroelastik bedeutenden integralen Kraft- und Momentenbeiwerte bzw. generalisierten Luftkräfte modelliert werden, was zu einer signifikanten Beschleunigung der aeroelastischen Analysekette führt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen