Experimentelle und numerische Untersuchungen zum Wirbelzerfall im rotierenden System

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Ewald Krämer; Professor Dr.-Ing. Markus Raffel
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 490853673

Das komplexe Strömungsfeld am Hubschrauber wird dominiert von Wirbeln und ihrer Interaktion. Von besonderer Bedeutung sind hierbei die Randwirbel, die an den Blattspitzen entstehen und unter Umständen mit der Strömung weit mitkonvektiert werden. Zum einen erzeugen diese Wirbel in bestimmten Flugsituationen Lärm (BVI) durch Interaktion mit nachfolgenden Blättern, zum anderen kann dieser Rotornachlauf in Bodennähe auch dazu beitragen, losen Untergrund wie Sand oder Schnee aufzuwirbeln. Der dadurch bedingte Sichtverlust stellt ein erhebliches Sicherheitsrisiko dar. Insofern definieren die Entstehung, der Erhalt und Zerfall von Wirbeln sowie ihre Bewegung im Raum eine flugphysikalisch bedeutende Fragestellung. Hinzu kommt, dass über viele Jahre die Untersuchung dieser Wirbel mit Hilfe von Simulationen erheblich beeinträchtigt war durch zu große numerische Dissipation, so dass der physikalisch korrekte Erhalt der Wirbel nicht gewährleistet war. Zuletzt konnten hier jedoch durch verbesserte Methoden höherer Ordnung wie auch verfeinerte räumliche Auflösung erhebliche Fortschritte erzielt werden. Gleichzeitig konnten dabei aber auch neue Sekundärstrukturen und Zerfallsprozesse beobachtet werden, deren physikalische Mechanismen zunächst als unklar eingestuft wurden, da bislang keine ausreichend hochwertigen experimentelle Ergebnisse vorliegen, um numerische Fehlerquellen quantitativ belastbar auszuschließen. Hier setzt nun das beantragte Vorhaben an. Auf der experimentellen Seite sollen mit hochgenauer Messtechnik detaillierte Untersuchungen der tatsächlich relevanten Zerfallsprozesse insbesondere der Randwirbel im Schwebeflug durchgeführt werden. Im Mittelpunkt steht dabei die Frage, bei welchem Wirbelalter welche physikalischen Mechanismen wie beispielsweise Instabilitäten oder Wirbelpaarung zum Zerfall der geordneten Strukturen beitragen, und welche Störparameter dabei eine Rolle spielen. Gleichzeitig wird damit der Maßstab gesetzt, wo und wie in der numerischen Simulation ein vergleichbarer Zerfall stattfinden sollte. Dabei ist zu erkunden, welche numerischen Variationen von Vorgehensweisen und Modellen diese Zerfallsprozesse beeinflussen, und daraus entsprechende Orientierungshilfen abzuleiten, so dass der simulierte Wirbelzerfall dem tatsächlichen in Ort und Mechanismus möglichst nahe kommt. Dabei ist auch auf die experimentell identifizierte Abhängigkeit von Betriebsparametern abzustellen, damit der richtige Prozess abgebildet wird. Aus fundamentalen Untersuchungen an einzelnen Wirbeln sind verschiedene Mechanismen kurz- und langwelliger Instabilitäten sowie von Wirbelpaarung bereits bekannt. Insgesamt soll durch das beantragte Vorhaben geklärt werden, inwieweit diese auf das rotierende System am Hubschrauberrotor übertragbar sind, und wie sie am besten in numerischen Simulationen auch wiedergegeben werden können. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen könnten dann weitere Entwicklungen zu effizienteren und sichereren Hubschrauberrotoren beitragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen