FOR 1066: Stall Simulation of Wings and Engine Nacelles
Final Report Abstract
Flugzeuge für den Transport von Menschen oder Gütern sind generell nur für einen bestimmten, durch physikalische Randbedingungen festgelegten Bereich ausgelegt. In diesem Bereich muss der sichere Flug gewährleistet sein. Deswegen ist es von großer Bedeutung, das Verhalten von Transportflugzeugen an den Flugbereichsgrenzen zu kennen und diese unter Beibehaltung der Flugsicherheit erweitern zu können. Fortschritte in der numerischen Simulation sowohl für die Flugzeugentwicklung als auch für die Flugerprobung eröffnen Wege zu neuen Erkenntnissen und verbesserten Fähigkeiten im Flugzeugentwurf. Einer der physikalischen Mechanismen, auf Grund derer der Flugbereich eines Verkehrsflugzeugs begrenzt wird, ist das Überziehen von Tragflügel und Höhenleitwerk im Langsamflug. Wesentlich sind auch Flugzustände mit Strömungsablösungen im Triebwerkseinlauf, bei denen insbesondere der Fan und die ersten Verdichterstufen durch die Inhomogenität der Einlaufströmung überbeansprucht werden können. Hier werden validierte, mathematische Modelle und effiziente numerische Algorithmen zur Strömungssimulation benötigt, mit denen man das Einsetzen des Überziehens und das dynamische Verhalten beim Überziehvorgang berechnen kann. Die Forschergruppe strebt eine wissenschaftlich fundierte Simulationsmethodik an, mit der diese Grenzbereiche behandelt werden können. Während numerische Simulationsmethoden für Anwendungen im Flugzeugentwurfspunkt weit entwickelt und so in der industriellen Flugzeugentwicklung genutzt werden, sollen hier mit interdisziplinären, neuen Simulationsansätzen die komplexen Wechselwirkungen der verschiedenen Effekte untereinander zugänglich gemacht werden. Die in diesen Zielen liegende Herausforderung wurde von der Forschergruppe durch eine enge Kooperation zwischen den Gebieten der Modellbildung, der effizienten numerischen Algorithmen und der experimentellen Validierung angegangen. Die Forschergruppe konnte neue Modelle der Turbulenz vorlegen, mit denen der Überziehvorgang durch Strömungsablösungen an Tragflügeln und Triebwerkseinläufen vorhergesagt werden kann. Es konnte eine experimentelle Datenbasis aus Windkanalversuchen etabliert werden, mit der die Validität dieser und zukünftiger Turbulenzmodelle auch für den Fall einer dynamisch gestörten Zuströmung an Tragflügeln und Triebwerkseinläufen überprüft werden kann. Die Forschergruppe hat auch zum ersten Mal Atmosphärenforscher und Wissenschaftler der Flugzeugaerodynamik zusammengeführt. Dadurch konnten neue, physikalisch fundierte Böenmodelle hergeleitet und effiziente Simulationen des Tragflügels mit realistischen, atmosphärischen Störungen der Umströmung aufgezeigt werden. Die in Flugantrieben gestörte Zuströmung der den Schub erzeugenden Fan-Stufe konnte in einem transsonischen Verdichterprüfstand nachgestellt und detailliert vermessen werden. Diese Daten bildeten die Grundlage für eingehende Simulationen zur Vorhersage des stabilen Bereichs der Durchströmung der Fan-Stufe, die in der Forschergruppe erfolgreich demonstriert wurden. Im Transferbereich dieser Forschergruppe beteiligten sich die Firmen Rolls-Royce Deutschland und Airbus an der Validierung der numerischen Simulationsmethoden durch Bereitstellung von Hardware und Messzeit in Versuchsanlagen sowie mit Ressourcen für numerische Simulationen zur Demonstration des Entwicklungsstands und der Anwendungspotenziale. Die Umsetzung in die industriellen Prozesse einer virtuellen (Teil)- Flugerprobung ist ein längerfristiges, strategisches Ziel der Flugzeugindustrie, das u.a. durch Anschlussvorhaben in den Luftfahrtforschungsprogrammen des Bundes und der EU sowie durch programmatische Vorhaben im DLR vorangebracht werden kann.
Publications
- Advances in Simulation of Wing and Nacelle Stall - Results of the Closing Symposium of the DFG Research Unit FOR 1066, December 1-2, 2014, Braunschweig, Germany. Notes on Numerical Fluid Mechanics and Multidisciplinary Design, Vol. 131, 24 Chapters, 413 pages, Springer-Verlag, ISBN 978-3-319-21126-8, 2015
Radespiel, R., Niehuis, R., Kroll, N., Behrends, K. (Eds.)
(See online at https://doi.org/10.1007/978-3-319-21127-5)
