Untersuchungen zur Rotornachlauf-Rumpf-Interaktion mit einem hybriden Strömungslöser
Final Report Abstract
Aufgrund der unvorhersehbaren Schwierigkeiten mit dem ursprünglich für dieses Forschungsprojekt vorgesehenen TAU-Code und dem dadurch notwendig gewordenen Umstieg auf den strukturierten FLOWer-Code in einer relativ späten Projektphase verlängerte sich der Bearbeitungszeitraum deutlich. Zudem musste der Detaillierungsgrad bei der Vernetzung der komplexen Geometrie des Rotorkopfes mit Taumelscheibe, Stoß- und Steuerstangen, etc. reduziert werden. Des Weiteren konnte die geplante Parameterstudie nicht mehr in dem vorgesehenen Umfang durchgeführt werden. Auch wenn sich dadurch die ursprüngliche Zielsetzung des Forschungsvorhabens nicht vollständig umsetzten ließ, konnte dennoch ein deutlicher Fortschritt im Bereich der numerischen Simulationsfähigkeit komplexer Hubschrauberkongurationen erreicht werden. Mit dem nun implementierten WENO-Verfahren zur Berechnung der konservativen Flüsse in den robust und zuverlässig laufenden FLOWer-Code wurde dieser für zukünftige Untersuchungen erweitert. Hierbei wurde die Flussrekonstruktion auf eine Interpolation fünfter Ordnung im Gegensatz zu dem bisher verwendeten Verfahren zweiter Ordnung nach Jameson verbessert. Die dadurch signikant reduzierte Wirbeldissipation und Dispersion des CFD-Lösers qualiziert diesen weiter für eine detailliertere Simulation der komplexen Wirbeltopologie an einem umströmten Hubschrauber. Es konnte gezeigt werden, dass das WENO-Verfahren Genauigkeitsvorteile bietet. Sowohl bei generischen Voruntersuchungen als auch bei komplexen Hubschrauberkongurationen zeigte es eine stabile Konvergenz der numerischen Lösung. Der Genauigkeitsvorteil ist jedoch mit einem Mehraufwand im Vergleich zur Flussrekonstruktion zweiter Ordnung verbunden. Für die durchgeführte Tail-shake Simulation zeigten die Vergleiche zwischen Numerik und Experiment eine sehr gute Übereinstimmungen lokaler Phänomene. Am Heckausleger, dessen strukturelle Weichheit das Tail-shake Phänomen prägt, zeigte sich eine gute Übereinstimmung in den dynamischen Charakteristiken der Drucksensoren. Bei Vergleich der beiden Flussrekonstruktionen, insbesondere mit Augenmerk auf den Nutzen des implementierten WENO-Verfahrens zeichnete sich eine Verbesserung der Lösung ab, welche das ohnehin schon gute Ergebnis mit dem FLOWer-Standardverfahren leicht verbesserte. Es ist jedoch zu berücksichtigen, dass die Diskretisierung allein durch die Nachbildung der Geometrie eine vergleichsweise hohe Auflösung erforderte. Diese reduziert die Vorteile einer Flussrekonstruktion höherer Ordnung, so dass sich diese nur in abgeschwächter Form bemerkbar machen konnten. Da moderne Rotorköpfe über eine einfachere Mechanik und gegebenenfalls aerodynamische Verkleidungen verfügen, vereinfacht sich die Diskretisierung der Geometrie und die benötigte Netzauösung wird geringer. Dies hat wiederum zur Konsequenz, dass der Vorteil des WENO-Verfahrens effizienter genutzt werden kann. Die Simulation verdeutlicht jedoch auch, dass das Hauptproblem bei der Simulation komplexer Strukturen mit hoher Auflösung weniger in der Diskretisierung und der Verfahrensordnung, sondern primär in anderen Bereichen liegt. Hierzu zählen das verwendete Turbulenzmodell sowie die Dynamik der Struktur. Wie in vorherigen Arbeiten gezeigt und auch in dieser Untersuchung bestätigt wurde, kann die Dynamik der Rotorblätter gut nachgebildet werden, während die Dynamik der restlichen Struktur bisher unberücksichtigt blieb und als Starrkörper angenommen wurde. Die bei dieser Untersuchung gefundenen Abweichungen zum Experiment sind durch die sehr große Steifigkeit im Modell begrenzt. Bei zukünftigen Untersuchungen von maßstabsgetreuen Realkongurationen im Freiflug ist jedoch die Berücksichtigung des dynamischen Verhaltens des Rumpfes unerlässlich. Wie die Simulation des Tail-shake Falles zeigte, waren die Vorteile des WENO-Verfahrens noch nicht vollständig zur Geltung gekommen. Hierzu sind weitere Untersuchungen nötig, im Zuge derer unter anderem auch die Wechselwirkung von WENO und den verschiedenen Turbulenzmodellen zu untersuchen ist. Dabei sind aufgrund des verbesserten Wirbeltransports Unterschiede zu erwarten, welche sich je nach Turbulenzmodell möglicherweise positiv auf die Strömungslösung auswirken können. Die bessere Wirbelkonservierung qualizieren das Verfahren besonders auch für die Berechnung der Akustik. Hierbei ist zu erwarten, dass das markante Phänomen der Blattwirbelinteraktion (BVI), welches einen signikanten Anteil an der Lärmemission eines Hubschraubers ausmacht, besser wiedergegeben werden kann. Mit Abschluss des Forschungsvorhabens liegt nun die Basis vor, um im nächsten Schritt das Tail-shake Phänomen einer aktuellen Hubschrauberkonguration im Freiflug unter Einbeziehung der Dynamik des Rumpfes zu simulieren. Trotz der zufriedenstellenden Ergebnisse eines strukturierten Codes in Verbindung mit einem Verfahren höherer Ordnung ist auf mittlere Sicht die Verwendung eines hybriden Strömungslösers anzustreben, um den Aufwand bei der Netzerstellung drastisch zu reduzieren.
Publications
- Numerical Simulation of Helicopter Aeromechanics in Slow Descent Flight. In: W. E. Nagel et al. (Hrsg.): High Performance Computing in Science and Engineering '08 (S. 395-410), Springer-Verlag, Berlin 2009
M. Embacher, M. Keßler, F. Bensing, und E. Krämer
- Loosely-Coupled Numerical Simulation of Helicopter Aeromechanics Using an Unstructured CFD Solver. Proceedings European Rotorcraft Forum, Paris 2010
F. Bensing, M. Keßler und E. Krämer
- CFD-CSD-Coupled Simulations of Helicopter Rotors Using an Unstructured Flow Solver. In: W. E. Nagel et al. (Hrsg.): High Performance Computing in Science and Engineering '10 (S. 393-406), Springer-Verlag, Berlin 2011
F. Bensing, M. Keßler und E. Krämer
- Numerical Simulation of Helicopter Wake Evolution, Performance and Trim. In: W. E. Nagel et al. (Hrsg.): High Performance Computing in Science and Engineering '11 (S. 409-424), Springer-Verlag, Berlin 2012
F. Bensing, M. Embacher, M. Hollands, B. Kutz, M. Keßler und E. Krämer
